NVIDIA为前沿科学研究突破带来新引擎|cuda|nvidia|英伟达|量子计算机|黄仁勋

导读

NVIDIA创始人兼CEO黄仁勋在3月底的GTC24大会献上了一场信息量极大的演讲，不仅带来了一连串重磅发布，还呈现了NVIDIA加速计算和AI技术为前沿科学研究领域突破所带来的最新技术和应用。

在科学计算领域，NVIDIA的Earth-2平台能助力实现高精度、高分辨率的气候模拟，为应对极端天气提供有力支持；在量子计算领域，NVIDIA的软硬件平台为探索未知世界提供了强大动力，推动着各行业的创新。

目前，不少科研人员和初创公司通过NVIDIA AI平台，深度赋能科学计算与量子计算，不仅更好地监测环境，有效地应对气候变化、极端天气，也能更好地进行分子模拟、让交易更安全。

纪十 | 撰文

“在过去的八年里，计算量增加了1000倍。我们推进计算的速度是疯狂的，但仍然不够快...在Transformer发明之后，我们以惊人的速度扩展大型语言模型，每六个月有效地翻一番。”黄仁勋在NVIDIA GTC 2024 大会上表示。

在AI时代，对算力的需求不断增加，NVIDIA凭借卓越的加速计算，为各行各业可以借助AI来实现业务和研究的更多突破带来可能。

今年的GTC，NVIDIA发布了多项基于AI的产品和技术来助力前沿科学研究领域的突破，其中包括气候预测、药物研发、量子计算等多个领域。

强大的气候和天气预测平台

“如今气候灾害很常见，新闻中时常会看到历史性的干旱、灾难性的飓风和百年不遇的洪水。Earth-2云API将帮助我们更好地应对极端天气，使我们可以采取行动以缓解极端天气的影响。”黄仁勋在GTC24大会上表示。

此次大会，NVIDIA展示了Earth-2平台的最新进展和应用。Earth-2是一个气候数字孪生云平台，通过交互式AI增强型高分辨率模拟加速气候和天气预测，能让大气物理学或海洋动力学专家以外的人也能理解天气和气候。

Earth-2的核心是基于生成式AI和扩散模型的方法——CorrDiff，可对天气数据进行高保真降尺度处理，能将当前数值模拟的分辨率提升12.5倍，速度和能效分别相比传统方法提升了1000倍和3000倍。除此之外，Earth-2还提供了一套用于AI天气模型训练和推理工具，包含NVIDIA Modulus和Earth2Studio。

目前，围绕Earth-2已产生了一些应用，如台湾气象部门已将其应用于台风等极端天气现象的预测，可从25公里分辨率提升至2公里分辨率，大大增加气候预测的准确性。

全球许多初创公司也正在使用Earth-2平台用于气候预测、风险评估等方面。以下简单罗列其中3家新创公司：

Tomorrow.io公司借助Earth-2平台研究其卫星套件对全球模型预测的潜在影响，通过优化观测系统配置，进一步提升天气预报的准确性。
ClimaSens公司专注于利用AI模型融合历史、实时及未来的气候和天气信息，为用户提供全面的气候风险评估，其即将推出的FloodSens洪水风险分析模型，基于Earth-2 API和FourCastNet模型开发，能够高保真、精准地呈现未来的天气状况，为洪水风险的预防与应对提供有力支持。
north.io公司也在运用Earth-2平台绘制地球上最大的碳汇地图——海洋地图。他们利用自主水下航行器（AUV）收集的大量数据，通过TrueOcean平台为全球用户提供数据访问、共享、可视化和理解服务。此外，他们还在开发基于Earth-2 API的AI天气预报系统，以支持AUV的智能操作规划、系统管理和风险评估。这一创新举措不仅提高了近海作业的安全性，还为海洋资源的可持续利用提供了有力保障。

可以说，Earth-2强大的AI模型库、高效的计算平台以及广泛的应用场景，为我们应对气候变化、极端天气等方面提供有力支持。

很显然，Earth-2气候数字孪生云平台为全球气候预测研究、灾害预测，防灾减灾等方面带来了有力的技术支持。

开发量子计算工具、培养量子人才，赋能下一轮计算

上一届GTC大会，NVIDIA推出了用于加速量子-经典混合计算的CUDA-Q，这是一个开源混合量子计算平台，具有强大的仿真工具和功能，可对混合量子经典系统进行编程，助力高性能、低延迟量子经典混合计算领域的研究人员更高效地开展工作。目前，全球75%的量子处理器（QPU）都是NVIDIA的量子云平台。

在今年的GTC上，基于CUDA-Q的NVIDIA量子云正式推出，广大的研究人员和开发者拥有了全新的“科研助手”，正如黄仁勋表示：“量子计算是下一轮计算变革的前沿领域，需要全球最杰出人才加速这一未来的到来。”

实际上，NVIDIA量子云不仅是一项微服务，更是科学家探索量子世界的崭新平台。它首次实现了用户在云端构建并测试新型量子算法和应用的梦想，功能强大的模拟器和工具支持量子-经典混合算法编程，让量子计算在云端得以实现。

借助NVIDIA在量子计算领域的强大工具，目前全球诸多科学家通过CUDA-Q得以更深入地探索未知世界的奥秘，挖掘量子计算的无限潜能。正如NVIDIA高性能计算和量子计算总监Tim Costa表示：“让全球每一位科学家都能充分利用量子计算的力量，将自己的想法变成现实。”

以下罗列几个典型的合作实例：

NVIDIA与多伦多大学合作开发的生成式量子本征求解器，借助大语言模型，量子计算机得以更精准、更迅速地锁定分子的基态能量。这一突破性的成果，对于材料科学和药物研发等领域而言，无疑能让我们更深入地理解物质的本质，为未来的科技创新提供了强大的动力。多伦多大学化学和计算机科学教授Alan Aspuru-Guzik表示：“这种全新的量子算法为实现量子算法与机器学习的结合，开辟了一条全新的途径。”
数字支付安全非常重要。汇丰银行的研究人员设计了一种量子机器学习应用，他们在NVIDIA GPU上模拟了多达165个量子比特，可检测数字支付中的欺诈行为。
初创公司Classiq与CUDA-Q集成，为量子研究人员提供了前所未有的便利，使得量子研究人员能够生成大型且复杂的量子程序，深入分析和执行量子电路，为量子算法的设计和优化提供了强大的支持。
量子系统开发商QC Ware的Promethium量子化学套件，通过与NVIDIA量子云集成，有助于解决复杂的量子化学问题，成功攻克了分子模拟等复杂难题，为化学领域的研究带来了革命性的变革。这一突破让我们能够深入了解化学反应的本质，为未来的化学工业发展奠定了坚实的基础。
实际上，NVIDIA致力于量子计算技术的创新与突破不仅体现在积极地推动CUDA-Q量子云的应用，此外其还推出了一款由优化库组成的软件库NVIDIA cuPQC，用于加速后量子密码学 (PQC) 工作流，可利用GPU并行性实现对后量子密码学算法的高效加速，以迎接面对公钥系统即将遭受量子计算机破解威胁的挑战。

与此同时，NVIDIA也在积极地推动量子计算行业发展，如通过与各大云服务提供商合作，共同对cuPQC进行深度测试和优化，确保其能够为各行各业提供安全、高效的服务，又如加入汇聚了芯片制造巨擘、云服务先锋、研究领域精英力量的后量子密码学联盟，为开源项目提供资金支持，推动后量子库和应用的发展。

此外，NVIDIA还与近20所大学达成了合作，为量子计算时代培养新一代计算机科学家，引导学生和研究人员了解这一新兴的交叉学科领域。卡内基梅隆大学研究副校长Theresa Mayer表示：“弥合传统计算机与量子系统之间的鸿沟，对于计算领域的未来发展至关重要”。