世界のスーパーコンピュータとそれを動かす人々


8月 29, 2022

Nvidia、量子に深く入り込み、QODAプログラミング・プラットフォームを発表

HPCwire Japan

John Russell オリジナル記事

GPUおよびアクセラレーテッド・コンピューティングの大企業であるNvidiaは、古典と量子のハイブリッドシステムで実行されるアプリケーションの開発と管理を対象とした新しいプログラミングプラットフォーム「NVIDIA Quantum Optimized Device Architecture (QODA)」を発表した。QODAは、NvidiaがGPUアクセラレーションシステム上で使用する量子シミュレーションSDKであるcuQuantumに加わるものだ。cuQuantumとは異なり、QODAは量子プロセッサと加速された古典システムからなるハイブリッドシステム上でハイブリッド量子古典アプリケーションの開発および運用を目的としている。

量子-クラシカルハイブリッドコンピューティングの考え方は単純で、広く受け入れられている。量子コンピュータで実行されるアプリケーションの多く(おそらくほとんど)は、実際にはハイブリッドであり、アプリケーションのある部分は古典システムに適しており、他の部分は量子コンピュータでのみ実用可能である。QODAは、少なくとも部分的には、タスクを適切に分割し、量子関連部分をさまざまな量子プロセッサ(QPU)用の機械命令に変換するコンパイラとツールのセットであると考えている。

NvidiaのHPCおよび量子コンピューティング製品担当ディレクターのティム・コスタ氏は、HPCwireへの事前説明で、「ハイブリッドという言葉は、業界では使い古されているようなものです。つまり、アプリケーションの中には、GPUのような古典的なリソースに最適なアルゴリズムがあり、GPUで実行するために高性能な方法で実装されています。また、アプリケーションの中には、量子コンピュータに最適なアルゴリズムがあります。それらが連携して、データが行き来しているのです。」

(混乱しやすいのは、古典コンピュータがQPUとの通信[すなわち、制御信号を送り、結果を解釈する]を必要とするという意味で、すべての量子コンピュータは必然的にハイブリッドであるということである。それ以外の方法はないのだ。これは、アプリケーションを古典的リソースと量子リソースのどちらかで実行するのが最適であるかという分割とは別の話である。」)

 

 

先日開催されたQ2B22 Tokyoカンファレンス発表されたQODAは、Nvidiaの量子コンピューティング計画をより明確にするものである。コスタ氏は、NvidiaがQPUビジネスに参入する計画がないことを強調した。しかし、Nvidiaは、量子コンピューティングが、別のアクセラレータプラットフォームとして、HPCランドスケープに統合されることを明確に見ている。GPUを活用して、ハイブリッド量子クラシカルアプリケーションの一部を高速化することは、自然な流れである。例えば、高密度の行列乗算演算は、結局のところ、QPUよりもGPUの方が性能が良い可能性がある。

QODAは2022年頃に利用可能になる予定だとコスタ氏は言う。新製品の当面の課題は、さまざまな種類の量子ビット(イオントラップ、超伝導、フォトニックなど)との通信であり、どのQPU技術が優位に立つかは明らかではない。QODAの発表と同時に、Nvidiaは5つの量子ハードウェアメーカーとのコラボレーションを発表しており、それぞれが異なる量子ビット技術を使っている。IQM Quantum Computers(超伝導量子ビット)、Pasqal(中性原子)、Quantinuum(イオントラップ)、Quantum Brilliance(ダイヤモンドの窒素空孔[NV])、Xanadu(フォトニクス)である。

「ランダムな選択ではないことを強調しておきます」とコスタ氏は言った。「この5種類の異なる量子ビットは、最初のパートナーを選ぶ際に非常に重要なポイントでした。ある種の量子ビットをプログラムするのに必要なプログラミングモデルを開発する際に、何か欠けているものがないかを確認したかったのです。近い将来、パートナー企業を拡大することを楽しみにしています。」もちろん、それらの量子ビット技術に取り組んでいる他の企業もあり、おそらく、QODAをそれらに適応させることは、それほど難しいことではないはずだ。

Nvidiaは、公式発表の中で、いくつかの試用例を紹介している。

  • 「QuantinuumはNVIDIAと提携し、Honeywellが提供するQuantinuumのHシリーズ量子プロセッサーのユーザが、QODAを使って次世代のハイブリッド量子古典アプリケーションをプログラムし開発できるようにします。これは、最高性能の古典コンピュータと当社の世界クラスの量子プロセッサーを結びつけるものです」とQuantinuum社のチーフエンジニアであるアレックス・チェルノグゾフ氏は述べた。
  • 「NVIDIA が開発したハイブリッド量子クラシカル機能は、量子および古典リソースを統合環境でプログラムする効率的な方法を提供することにより、HPC 開発者が既存のアプリケーションを加速することを可能にします」と、Zapata の最高技術責任者であるユドン・カオ氏は述べた。「化学、創薬、材料科学などにおける近い将来のアプリケーションを量子コンピューティングとシームレスに統合することが可能になり、実用的な量子の利点が現れるにつれて、これらの分野で新しい発見を促進します。」

Nvidiaはまた、QC WareZapata Computingという2つのソフトウェアプロバイダと、Forschungszentrum Jülich、Lawrence Berkeley National Laboratory、Oak Ridge National Laboratoryなど複数のスーパーコンピューティングセンターとのコラボレーションを発表している。

注目すべきは、Nvidiaが量子コンピューティングのエコシステムにおいては比較的新しい存在であるということだ。同社の量子コンピューティングへの取り組みは、2021年に発表されたcuQuantumから始まっている。新しい製品であるQODAは、Nvidiaが市場のギャップとして認識していることを目的としているとコスタ氏は述べている。

「今日の量子コンピューティングソフトウェアの取り組みのほとんどは、アルゴリズム開発に焦点を当てています。そのため、完全なハイブリッド・アプリケーションを開発するよりも、少し規模が小さくなっています。また、CirqQiskitPennyLaneなどのフレームワークが開発され、有名になっています。これらは非常に重要であり、そのため私たちがリリースしたcuQuantumの最初の製品は、これらをより強力にするために設計されたのです。」

「しかし、アルゴリズム実験ベースのフレームワークと、古典と量子のハイブリッドコンピューティングに向かう今日のGPUアクセラレーションによる科学アプリケーションの構築には大きな隔たりがあるのです。そのためには、量子物理学者によるアルゴリズム開発から、ドメインサイエンティストによるアプリケーション開発へと移行する必要があり、今日のアプリケーションやプログラミングパラダイムと相互運用できる性能を実現し、それらのサイエンティストに馴染みのあるハイブリッド量子古典コンピューティング用に構築された開発プラットフォームが必要です」と述べている。

もちろん、量子およびハイブリッド量子古典リソース用のアプリケーション開発と管理を容易にしようとするのは、Nvidia だけではない。たとえば、新興企業の Agnostiq は、量子リソースを含むヘテロジニアス HPC 環境のワークフロー開発を目的としたオープンソース製品(Covalent)を発表している。

量子アクセラレーションが HPC のパズルの中にどのように組み込まれ、どのような形で実現されるかは、まだ明らかにされていない。現在、量子コンピューティングは、急速に変化しつつあるものの、そのほとんどが開発途上のものだ。Nvidiaは、このことを認識している。

「量子コンピューティングをアプリケーションに組み込むことで、古典的なコンピューティングとの差別化を図る、真の量子アドバンテージは、一般に、数千の量子ビットでエラー訂正された数百万の量子ビットを持つ、耐障害性量子コンピューティングの時代に来ることがよく理解されています。これはまだ遠い未来の話であり、やるべきことはたくさんあります。しかし、さまざまな分野にわたる投資が、その課題に対応し、業界を前進させるためにステップアップしています。世界には22の国家的な量子イニシアティブがあります。世界の主要企業の70%以上が、規模はさまざまですが、何らかの量子に関する取り組みを行っています。研究論文も数多く発表されています。そして、250社以上のスタートアップが乱立し、中にはかなり大きな評価を受けている企業もあります」とコスタ氏は言う。

 

Nvidia は当然ながら、自社の製品 (GPU とソフトウェア) で最適に動作するように QODA を設計しているが、C++ や Python などの他のツールへのフックも作成した。

「確かに、私たちが血と汗と涙を注いでいるのは、Nvidia GPUで実行するときに絶対的な最高のパフォーマンスを得ることを確認することです。cuQuantumは、量子エミュレーションのために作られたものです。QODAコンパイラは、他のコンパイラのパートナーコンパイラになり得ると言っておきます。QODAのコンパイラは、他のコンパイラのパートナーになることができます。NVC++は、アクセラレータGPUコンパイラであると同時に、高性能CPUコンパイラでもあり、QODAと組み合わせることができる」とコスタ氏は言う。

Nvidiaは、Community Intermediate Representation(QIR Alliance)「量子コンピュータと古典コンピュータが互いに対話するために使用できる低レベル機械言語の仕様」をターゲットとするNVQ++コンパイラに取り組んできた。

共同研究者との作業は、QODAを準備するために進行中である。

コスタ氏は、「実際に我々のコンパイラの出力を提供して、彼らのQPU上で動作させているケースもあります。また、まだその段階ではなく、必要なことを確実に実行するために、どのようなプログラミングモデルにするかを共同で考えている場合もあります。このように、実装は何重にもなっているのです。QODAのプログラミングモデルは、ユーザと対面するものです。また、独自の量子MLIR方言(多値中間表現)を取得し、それをコミュニティの中間表現であるQIRに落とし込みたいと考えています。そこからQPUに送られます。つまり、ツールチェーンの開発において、QODAが各社のシステムで動作することを確認するために、各社と提携している段階が複数あるのです。」

QODAの市場投入までの完全な道筋は明確ではない。Nvidiaは、発表の場でWebポータルのパートナーを発表しなかったが、コスタ氏は、それはすぐに起こるだろうと言う。Nvidiaはすでに、AmazonのBraketポータルにcuQuantumを最近組み込むなど、大手クラウドプロバイダと深い関係を持っている。

ご期待ください。

Nvidiaの発表へのリンク, https://www.hpcwire.com/off-the-wire/nvidia-announces-hybrid-quantum-classical-computing-platform/

Nvidiaのブログへのリンク: https://blogs.nvidia.com/blog/2022/07/12/quantum-qoda-julich/