前沿研究人員利用邊緣 AI、高性能計(jì)算和世界頂尖儀器解析分子力。

Ryan Coffee 所制作的以分子為主題的電影頗具影響。

Ryan Coffee 目前是位于美國的 SLAC 國家加速器實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)科學(xué)家，他表示，這些可視化成果可以揭開光合作用的奧秘。目前，陽光引發(fā)皮膚癌的方式已被揭示。

長期以來，他們一直在幫助化學(xué)家研發(fā)拯救生命的藥物以及能夠增加電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的蓄電池。

要制作出能夠推動(dòng)此類工作的影片，Coffee 的團(tuán)隊(duì)需要采用高性能計(jì)算機(jī)、AI 和一臺(tái)出色的投影儀。

更明亮的光線

Coffee 團(tuán)隊(duì)所使用的投影儀名為 Linac Coherent Light Source（LCLS）。它的體內(nèi)有一個(gè)長達(dá)一公里的線性加速器，以每秒 120 次的速度脈沖 X 射線。

這臺(tái)設(shè)備對好萊塢電影來說已經(jīng)足夠優(yōu)秀，但對 Coffee 的電影來說還不夠。

Coffee 作為原子、分子和光學(xué)交叉領(lǐng)域的物理學(xué)專家表示：“我們需要看到的是電子云如何在分子周圍像肥皂泡一樣移動(dòng)，以及如何以特定的方式擠壓出它們的能量。”

因此，明年這臺(tái)巨大儀器的拍攝幀數(shù)將升至每秒 10 萬。兩年后還將進(jìn)行一次名為 LCLS II 的升級(jí)，屆時(shí)其拍攝幀數(shù)將達(dá)到每秒 100 萬幀。

要將如此極速且隨機(jī)出現(xiàn)的幀進(jìn)行排序，高性能計(jì)算（HPC）與 AI 的結(jié)合工作十分必要。

作為影片觀眾的 AI

Coffee 的目標(biāo)是在 LCLS II 前放置一個(gè) AI 模型，這個(gè)模型將通過觀看超高速影片學(xué)習(xí)人眼無法觀察到的原子運(yùn)動(dòng)。

這項(xiàng)工作需要在具有行業(yè)領(lǐng)先運(yùn)行速度的 GPU 上進(jìn)行推理，它們位于加利福尼亞州門洛帕克的儀器旁。同時(shí)，從 LCLS II 上獲得的數(shù)據(jù)將被送往芝加哥郊外，在阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的NVIDIA A100 Tensor Core GPU上不斷、反復(fù)地訓(xùn)練模型。

這是一個(gè)邊緣 HPC 的教科書式案例。在這個(gè)使用大型科學(xué)儀器仰視恒星、俯視原子的時(shí)代，這種案例將變得越來越普遍。

LCLS 儀器局部

到目前為止，Coffee 的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)能夠在 10-20 分鐘內(nèi)重新訓(xùn)練一個(gè)自動(dòng)編碼器模型，每秒可進(jìn)行 10 萬次推理。

Coffee 表示：“我們已經(jīng)進(jìn)入到阿秒脈沖領(lǐng)域，我可以看著電子泡來回晃動(dòng)?！彼壳笆?SLAC AI 計(jì)劃的核心成員。

擴(kuò)大 AI 領(lǐng)域的合作

Coffee 團(tuán)隊(duì)的下一個(gè)目標(biāo)更加遠(yuǎn)大。

Coffee 在制作分子電影時(shí)所獲得的數(shù)據(jù)將與來自阿貢實(shí)驗(yàn)室超高分辨率靜態(tài)相機(jī) Advanced Proton Source 的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)安全共享。

Coffee 表示：“ 我們可以使用安全的聯(lián)合機(jī)器學(xué)習(xí)將這兩個(gè)數(shù)據(jù)集整合成一個(gè)強(qiáng)大的共享 Transfomer 模型?！蹦壳八谂c多家組織一起努力實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

Coffee 在“放映室”中，他的下一部分子電影將在這里首映。

該 Transfomer 模型將使科學(xué)家能夠?yàn)樵S多數(shù)據(jù)匱乏的應(yīng)用生成合成數(shù)據(jù)，比如對聚變反應(yīng)堆的研究。

這項(xiàng)科學(xué)工作類似于醫(yī)療領(lǐng)域的聯(lián)邦學(xué)習(xí)，它們的目標(biāo)都是為各自領(lǐng)域構(gòu)建強(qiáng)大的 AI 模型，同時(shí)保護(hù)數(shù)據(jù)隱私和安全。

Coffee 表示：“我們知道用許多語言訓(xùn)練出的大型語言模型可以提供最好的結(jié)果。所以我們想在科學(xué)領(lǐng)域做到這一點(diǎn)，通過讓模型從不同的角度看待相同的事物來創(chuàng)造出更好的模型?！?/p>

量子科學(xué)的前景

科學(xué)家 Coffee 解釋說，他所研究的原子力可能會(huì)驅(qū)動(dòng)未來的計(jì)算機(jī)發(fā)展。

他表示：“想象一下當(dāng)一堆電子泡都處于相同的量子狀態(tài)，它會(huì)是一個(gè)超導(dǎo)體。當(dāng)我在底部添加一個(gè)電子時(shí)，這個(gè)電子會(huì)因?yàn)闆]有阻力而瞬間跳到頂部?！?/p>

這個(gè)概念在量子計(jì)算中被稱為糾纏，指的是即便兩個(gè)粒子位于地球的兩端也可以同步切換狀態(tài)。

這將使 Coffee 等研究者能夠在強(qiáng)大的儀器（如 LCLS II）和遠(yuǎn)程 HPC 中心間建立即時(shí)連接，實(shí)時(shí)訓(xùn)練出強(qiáng)大的 AI 模型。

Coffee 預(yù)見到他的實(shí)驗(yàn)將超越現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)，屆時(shí)將需要替代架構(gòu)和 AI。這個(gè)宏偉的藍(lán)圖讓他感到興奮不已。

“我喜歡量子力學(xué)的反直覺性，尤其是當(dāng)它生產(chǎn)出了人類可以應(yīng)用的真實(shí)、可測量的結(jié)果時(shí)。這是趣味所在?！?/p>

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