華碩攜手國研院國網中心眺望量子電腦新展望
- 孫昌華／台北
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隨著大數據快速成長，國家級超級電腦對水漲船高的運算處理能力的需求快速成長，傳統資料中心線性增加的運算能力，逐漸趕不上呈現指數級成長的運算能力的需求，尤其在人工智慧（AI）、量子化學及材料設計、生醫與製藥、金融最佳化系統等需要算力的尖端研究的領域，對量子電腦的未來發展具有高度的期待，量子運算技術提供高效能運算（HPC）所需要的指數級的運算成長效能，而成為大型跨國資料中心與超級電腦系統所競相追逐的技術，探索量子效應以打造強大的運算能力的新世代超級電腦正被視為下一個重要的殺手級應用。
華碩電腦與國家實驗研究院國家高速網路與計算中心（簡稱國研院國網中心）於2023年4月14日在華南銀行國際會議中心一同舉辦台灣量子電腦發展研討會，這個以「超級電腦新契機 - 量子電腦發展與展望」為題的研討會是瞄準量子電腦發展現況，並探討開發未來商業化應用與潛能的一場技術盛會，現場產、學、研界的專家一同針對量子電腦發展進行交流，期盼透過對話激發更多創新及加速產品化應用的機會。
國研院國網中心主任張朝亮博士率先上台致詞，他從2022年底造訪美國德州達拉斯的超級電腦會議中，看到國際科技巨擘與新創企業在量子電腦的蓬勃發展，尤其見識到量子電腦在HPC領域上所扮演的積極角色，嘗試把量子電腦架構融入傳統的HPC電腦系統之中，做為超級電腦駕馭特定尖端服務的使用範例，已經成為具備重要商業前景的應用，所以他也期望藉此拋磚引玉，讓量子電腦的發展為台灣創造下一個台積電規模的明星級產業。
華碩伺服器事業部金慶柏總經理接續上台致詞，量子電腦的商業化應用引起各界的關注，華碩電腦對量子電腦的研究投注大量的資源，並期望與國網中心合作為下一代的超級電腦的開發做出貢獻，他本身也是華碩的資安長，看待量子電腦如同雙面刃的效應，一方面既可以促進HPC運算的效能的成長，造福人群，另一方面，其運用強大算力以破解加密技術，以及駭客攻擊等聳動的社會衝擊，更可以從中的得與失而看到量子電腦未來發展的機會，而這個活動正可以一窺未來科技發展的先聲。
量子電腦創造軟、硬體的機會為台灣ICT產業，創造關鍵的商業成功
第一場主題演講由DIGITIMES董事長黃欽勇（Colley Hwang）先生主講，他聚焦於科技創新與企業的危與機的分析，台灣科技產業在1970年代開始發展半導體技術，掌握新科技發展的契機，成就今天令人稱羨的半導體代工產業的成果，他也透露DIGITIMES最近接受政府邀請而撰寫產業白皮書的機會，看到智慧製造的主張將成為台灣未來可以倚恃的發展機會，尤其看好印度與東南亞市場的新興的機會。
他提點台灣產業界從善用供應鏈的價值主張起步，而人工智慧與量子電腦的加乘機會都少不了台灣在半導體與電子製造上所展現的優勢，掌握這個未來科技發展的大趨勢，他建議的核心策略，在於持續強化台灣產業核心優勢，做為交換印度與東南亞在地的商機，邀請他們來和我們一起展開合作，成為他們很好的生態系統夥伴，幫助客戶、生態系統合作夥伴獲得成功，這些是台灣可以扮演的角色，透過虛實整合、軟硬通吃與分散生產的供應鏈體制，以擁抱這個高速成長的機會。
量子電腦未來發展可能性，產學界合作的發展契機
研討會中透過座談會來呼應大眾對量子電腦的想望，由華碩雲端總經理吳漢章博士做為主持人，他聚焦的主題在於讓台灣各界理解目前台灣發展量子電腦的近況，以及可能的應用前景，同時著墨於台灣產業界的未來的發展機會。
台灣量子系統推動小組執行長張文豪教授談台灣發展量子電腦的現狀說明，他首先要大家放下不必要的想像，量子電腦是一個龐大的系統工程，目前除了通用量子電腦硬體技術、光量子技術、量子軟體技術與應用的三大研究主題走向之外，他更著重於實際應用的可能性，對於最近紅火的生成式人工智慧技術與量子模擬器之間的發展，他看到量子電腦協助進行AI模型訓練所展現強大的成果，看到因為巨大運算系統的需求而驅動產業界整合商業機會的契機。
他也大聲疾呼產業界的投資至關重要，產、學、研的通力合作是創造成功的基石，他舉量子運算的研究過程中，透過台積電與其他科技公司的協助，目前已經著手開發量子位元的次系統，逐步開展台灣的硬體自主開發的進程，另外在複雜度高的AI模型訓練上，他舉出張量網路（Tensor Networks）與AI卷積神經網路（CNN）層數的概念是有高度相似的路數，所以量子電腦協助AI模型加速訓練上是有彼此緊密關聯的意義。
再者，量子電腦應用在破解密碼的應用被高度關注，由於隨著量子運算逐步邁入更大的精確度與算力成長後，預計在未來十到三十年的時間內可以真的來談密碼的破解，在此之前，他認為量子通訊的發展則是短期研究更重要的機會，畢竟先讓資料不會被攔截的保護做好，才是目前需要先解決的問題。
量子電腦應用在破解密碼的應用上受到高度關注
國研院國網中心主任張朝亮博士也呼應前述的觀點，由於量子電腦本身的特殊軟、硬體結構，傳統電腦用直接寫程式以驅動運算的開發方式無法直接套用到量子電腦上，台灣學術界短期的目標是先掌握基礎的研究技術，發掘出可以有成果的機會，並結合傳統資料中心的HPC技術與量子電腦一起做整合，以啟動未來的超級電腦的轉變。
關於密碼學與量子安全系統與機會都是量子電腦應用被看好的機會，國網中心也在量子密碼學發展上取得重要的學術成果，對於針對已加密資料作為運算的技術，諸如「同態加密」或「聯邦式學習」等做為保護關鍵資料的理論，則已經有重要的論文的發表，並期望能扮演產業、學界持續成長的推手。
NVIDIA資深解決方案架構師李正匡博士的關點放在NVIDIA積極參與的cuQuantum SDK軟體平台，這個做為打造發展量子電腦的應用為主的軟體環境，期望對於協助產業與學術界打造量子運算的研究基礎有重要的貢獻，由於QPU的概念一直受到產業界的重視，他也預計未來的5~10年內，將看到量子電腦與傳統電腦密不可分的整合趨勢，所以cuQuantum的SDK軟體的發展，有助於整合CPU、GPU與QPU運算的機會，讓開發者可以藉此軟體開發平台上發展量子運算的應用。
IBM標示2024年100 Qubit x 100 Depth的實際算力的里程碑
國立台灣大學鄭原忠教授的主題演講聚焦於盤點量子運算的近期國際趨勢，他首先從IBM-Q量子電腦的研發進度（Road Map）起手，以2022年IBM已經啟動433 Qubit的量子電腦，開始上線服務，而2024年的預估，IBM發展的QPU中將有內建的量子通訊的模組，到了2026年以後，預計做出十萬個Qubit的量子電腦，屆時開始有機會可以看到具備容錯（Fault tolerance）能力的量子電腦的出世。
但是很弔詭的，Qubit的增加並不代表實際量子電腦的運算能力的增強，目前的Qubit數字愈大但是雜訊也很同步放大，所以數字上的增加仍只有象徵的意義，IBM則是使用Quantum Volume來計算實質QPU的計算能力單位，以IBM現役的512 Qubit的量子電腦，才只具備9個Quantum Volume的能力，因為Log 2（512） = 9，也就只具備九層（Circuit depth）的運算能力。
他分析Google的進度著重於Qubit的雜訊糾錯技術上下手，但是可惜的是，越做糾錯則越錯的厲害，這是一個很尷尬的結果，所以目前量子運算的硬體限制還很大，不過話鋒一轉，他認為IBM設定2024年有100 Qubit x 100 depth的目標，這是學術界認為值得追蹤的進度與算力的指標，所以一旦上述100 x 100的目標能夠達成，這將成為一個重要的QPU硬體的里程碑。
量子電腦軟體平台的發展以及最新的應用趨勢
鄭原忠進一步解析目前被看好的量子應用軟體的趨勢，特別包括IBM與D-Wave Leap的軟體應用的發展，二者都側重於量子模擬的軟體平台的運作，利用傳統矽晶片來打造量子模擬系統以驗證量子演算法，以他的觀點，IBM目前仍是關鍵的領先者，IBM所提供的雲端量子運算服務所具備的完整、開放的系統，仍然動見觀瞻，透過這些服務讓軟體的新創公司可以開發出針對特定問題的解決辦法。
事實上自2020年已降，有大量的新創企業進到量子運算的領域，軟體新創公司非常蓬勃發展，以五年期的發展來看，看好到應用包括量子化學成分的模擬、財務金融業的最佳化解決辦法，以及機器學習（ML）的量子演算法的發展，對於目前ChatGPT等超大AI模型的訓練上的輔助，都成為量子運算積極參與的領域，加上材料設計、藥物開發，以及當紅的鋰空氣電池的開發，都有機會看到嶄新的成果。
從科技新創Quantum Brilliance的角度看量子電腦的發展
Quantum Brilliance的營收長（Chief Revenue Officer）暨亞太區總經理Mark Mattingley-Scott先生透過視訊連線簡報來介紹Quantum Brilliance的近期發展，Quantum Brilliance是一家位於澳洲的科技新創公司，發展室溫下的量子加速器硬體裝置產品，提供給資料中心以打造量子運算的服務，找尋量子電腦可行的商業模式與應用。
該公司使用光子元件為主的量子運算系統，一台量子加速器的功率消耗使用約數百瓦的耗電量，目前已經有使用範例整合到澳洲的超級電腦中心，展示量子運算的功能，他們的願景在於整合CPU、GPU、QPU、FPGA等運算基礎，提供可以容易放量成長（Scale Up）的量子運算架構，特別對於可以放在邊緣節點上諸如汽車、太空飛行器等行動平台上的量子裝置的發展有長遠的目標，目前Quantum Brilliance與NVIDIA在軟體平台上的合作，實際的量子應用範例已經在材料設計、信號處理、資料庫最佳化等應用上有所斬獲。
華碩電腦對於量子電腦開發的展望
最後由華碩雲端總經理吳漢章博士壓軸，他的演講主題側重於傳統HPC超級電腦與量子電腦的結合與未來的應用的機會，華碩電腦與於2019年透過與國研院國網中心的合作上，一起參與建構「台灣杉二號」的超級電腦系統，締造台灣AI超級電腦在全球排名第20名的重要佳績，與美國、日本、歐洲等先進國家並列，目前更進一步在台灣杉二號建立AI超級電腦的計畫，稱為「AI 2.0技術」的加速器，這是與NVIDIA合作使用高效能的GPU所打造的AIHPC系統，目前全球前100大HPC中共有25座商業用途的AIHPC，台灣杉二號排名64，算力為9PFLOPS。
吳漢章接續分享兩個受到矚目的超級電腦的應用個案與使用範例，首先是生成式AI 的核心技術，尤其是大型的自然語言模型（Large Language Model）的計畫，台智雲團隊已在台灣杉二號實踐GPT3 同等級的大語言模型的開發，第二個分享就是生命科學的領域上的研究，吳漢章特別借用台大童俊維博士的研究做為主要的參考，這個研究關注分子動力醫學的分析與高速計算的應用，由於現役的AIHPC的算力只能協助做到一些蛋白分子行為的初步模擬，所以用來開發新的藥物的實質效益還在起步中，而這將隨著國內量子電腦計畫的進展而可以在接續的五年中看到未來應用的落地。
他舉美國Cleveland Clinic與IBM的量子技術的合作的個案，當中看到強大的算力讓基因定序的工作更為輕鬆與省錢，而新的計畫使用AI技術去分析人類基因定序的資料，然後對大型藥物資料庫做搜尋，找出幫助阿茲海默症病患應對的藥物研究，令人期待，在台灣的國衛院超級電腦的使用經驗中，分析一、兩萬人的基因資料做預測已經感受到算力的重要性，所以隨後這幾年內對於發展超級電腦與量子電腦的整合，將為量子電腦創造商用化的應用帶來快速發展的契機，華碩電腦將持續結合生態系統夥伴，讓量子運算所啟發的想像力得到落實，打造智慧、安全兼具的雲端平台，協助產業界一同追尋量子電腦的商機。
