面向“嵩山”超级计算机系统的大规模量子傅里叶变换模拟

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“嵩山”超级计算机系统是我国自主研发的新一代超级计算机,它采用CPU通用处理器+DCU加速器件的国际主流超算异构计算模式,整机峰值计算性能可达100PFlops。为了扩充该平台的科学计算生态,验证量子计算模拟研究在该平台上的可行性,同时推进量子算法的研究与进步,本文选取量子傅里叶变换在该平台上进行模拟实现。本文主要工作及创新点如下:(1)研究了量子傅里叶变换的量子路线图,在CPU集群上进行了代码实现并对算法的性能进行了分析。通过对量子傅里叶变换算法的学习和研究,利用libquantum量子仿真库,实现了C语言版本的量子傅里叶变换模拟。采用静态与动态结合的程序性能分析技术定位程序热点,对程序中存在大量密集计算的量子相移门与Hardamard门操作代码进行了分析,为面向DCU的移植奠定了基础。(2)实现了量子傅里叶变换在CPU+DCU异构计算平台上的并行模拟。基于HIP异构编程模型,对量子傅里叶变换模拟进行了并行实现:CPU端负责量子寄存器的初态制备以及逻辑分支部分的判断;对程序中的量子逻辑门操作代码进行了面向HIP设备端的改写,实现了计算热点到DCU加速器件的映射。(3)开展了大规模量子傅里叶变换模拟在“嵩山”超级计算机系统上的数据传输与访存优化。针对该程序在大规模模拟仿真时存在的性能与存储瓶颈问题,结合目标超算体系结构特点进行了程序的并行优化:使用MPI并发解决了计算节点内主机端与设备端传输效率低的问题;通过计算与通信的隐藏,避免了DCU在数据传输过程中长时间处于空闲状态,提高了DCU设备的利用率;运用共享内存和寄存器空间提高了数据访存的效率,实现了面向全局内存的合并访存,有效的利用了DCU加速器件中的多层次存储结构。本文工作已在“嵩山”超级计算机系统上进行了实验验证,实现了44Qu-bits大规模量子傅里叶变换模拟;利用CPU+DCU加速的量子傅里叶变换模拟取得了相较于CPU模拟17.151倍的加速,并具有良好的可扩展性。本文工作对其他量子算法在“嵩山”超级计算机系统上的模拟实现以及优化提供了参考。
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