IBM 研究如何建立面向未来计算的实验室 - 结构设计-散热设计-防水设计-工程验证-生产制造

在距离纽约以北一小时车程的一个实验室里，坐落着世界上最先进的量子计算机，以及一组革命性的原型人工智能芯片。这个新实验室是 IBM 研究中心视为计算未来的计算平台融合的物理体现。这就是我们这样做的原因。

几乎在整个计算机时代，世界都致力于使经典计算机结构更小、更快、更高效。最简单地说，当今最强大的超级计算机如何在眨眼间运行计算的概念与几十年前第一台计算机的运行方式没有太大不同。尽管规模要小得多。

然而，近年来，新的思维方式开始出现。量子计算已经从理论讨论转向大型机器，这些机器即将回答世界上一些最棘手的问题。人工智能可以生成奇妙的内容，并使紧迫的业务决策变得更简单，其规模以前是不可能的。连接和运行经典超级计算机的新方法已经为几乎所有需要它的人提供了难以察觉的大量计算能力。

这些计算范式中的每一个——以比特、神经元和量子比特为基础——本身都是开创性的。但当它们相互补充时，结果将更具变革性。这是IBM 研究院近年来一直在探索的加速发现的概念。人们相信，这将是我们迎来下一个计算时代的方式。

纽约州约克敦高地 IBM 研究中心总部的 Think Lab

这就是为什么 IBM 在 2023 年的大部分时间里在 IBM 研究院纽约约克敦高地总部建造了一个新实验室。其目标：汇集最新的量子计算、人工智能处理和混合云技术。新空间旨在成为计算领域未来发展的物理体现。这是一个工作实验室，来自不同领域的科学家可以在这里共同努力，形成新的想法和伙伴关系，而这些想法和伙伴关系在他们自己的空间中单独工作可能不会发生。

将平台整合在一起

将会有许多新类型的计算，其中将机器靠近在一起将是有用的。仅从实际角度来看，能够实时对多个系统上的工作进行故障排除可以让研究人员更轻松地找出如何最好地针对他们正在使用的硬件优化算法。同样，当您正在处理的所有内容都彼此相邻时，尝试找出如何优化多云结构会容易得多。但 IBM 研究院院长办公室科学技术总监 Zaira Nazario 表示，还存在延迟问题。

实验室安装了 IBM Quantum System Two。它是模块化的，并且随着需求的增长，可以安装第二个系统。

许多量子计算不需要旁边的经典计算机来执行任务——这可以通过云来完成。 “然而，有些地方你需要它们彼此非常接近，因为你需要能够在数百纳秒或微秒内运行事物，”纳扎里奥说。 “量子计算所需的时间尺度和经典计算要求取决于当前的问题、不同类型开发人员的需求以及您正在工作的抽象级别。”

“这些是我们想要发现的——比特、量子比特和神经元的故事——对于这些，系统的共置变得很重要，”她说。

该空间还强调了计算本身的性质正在如何变化。过去，超级计算机和数据中心主要由无数排服务器刀片组成。今天，我们开始看到新的芯片和处理器加入竞争，从用于处理世界正在使用的新兴人工智能工作负载的 GPU 和人工智能加速器，到解决我们如何超越摩尔定律的小芯片。我们看到数据中心所有者和国家实验室重新考虑随着 AI 爆炸式增长，高性能计算 (HPC) 系统是什么样子 - 但这仅仅是开始。

Think Lab 中的新剧院旨在向参观者、研究人员和其他 IBM 员工展示最新的创新成果。

明天的数据中心

纳扎里奥说：“支持这些重大任务的数据中心未来会是什么样子？这些设施将拥有三种类型的系统来支持用户。”而且这些系统也不会总是互连的——如果你是一个支持许多用户的大型设施，有些人可能只对访问量子系统感兴趣，有些人想要运行传统的 HPC 或人工智能工作负载，有些人会想要将这三者结合起来。

研究人员在实验室安装的量子系统一号附近工作。

在 Think Lab 中，该团队着手构建一个空间，可以容纳模块化的新型IBM Quantum System Two、一组 IBM 原型AIU 芯片，甚至未来的 Z 系统。 IBM 研究创意总监 Mark Podlaseck 表示，这个空间并不意味着永远保持不变，而是要适应研究人员和参观实验室的人的需求。桌子和椅子可以推开或拉过来绘制草图，AIU 计算集群是可扩展的，如果需要的话，甚至还有空间安装整个第二个系统二 — 即使该系统是在预期它可以安装的情况下安装的进行修改或扩展。

这一愿景可以在任何认为采用这些新计算形式有价值的机构中复制。 “你可能是一个国家实验室，或者是一家拥有大型研究部门的制药公司，你需要不同类型的系统来支持发现药物所需的模拟，并且你希望它是模块化的，以便它随着用户需求的增长，”Nazario 说。 “我们还希望实现模块化，以便随着技术的进步更容易升级。”

AIU 集群，工程师正在更新安装在其中的刀片服务器。实验室其他部分的工作可以继续进行，不会受到干扰。

该实验室甚至还有空间来适应现有系统之外的情况。已安装的 AIU 集群目前正在处理 IBM 的实际工作负载，包括针对watsonx AI 模型的仇恨、滥用和亵渎（或 HAP）过滤，与许多类似的 AI 计算系统相比，使用的能源更少。该集群设置在标准 PCIe 卡上，这意味着可以轻松安装新版本。波德拉塞克说，对于今天安装的所有系统来说，它们都应该易于操作。无需关闭实验室即可对 Quantum System Two 或 AIU 集群进行维护。

AIU于 2022 年首次推出，是一种原型芯片设计，其中计算和内存在芯片上紧密交织，以减少深度学习和 AI 计算的延迟。它来自对2021 年首次为 IBM z16 构建的Telum CPU 的研究。

IBM 研究员 JohnDavid Lancaster 在 Think Lab 的 AIU 节点之一上工作。

随着人工智能嵌入到越来越多的业务流程中，该团队正在努力从部署 Telum 和 AIU 中汲取见解，用于下一代 Z 系统，该系统未来将在 Think Lab 落户。这包括最近发布的Spyre AI 加速器。

新实验室主要致力于为研究人员构建平台，以创造计算领域的未来，因为它正在重新定义未来数据中心的概念。它结合了世界上一些最尖端的技术，并且是一个旨在纪念 IBM 设计历史（包括其所在建筑的设计历史）的空间。

借鉴过去设计未来

IBM 研究总部由著名建筑师 Eero Saarinen 设计，里面摆满了 Ray 和 Charles Eames 设计的家具。波德拉塞克说，在设计新实验室时，他们希望“尽可能多地采用旧建筑的基础设施、原始性和诚实性。”

安装在 Saarinen 最初为约克镇实验室入口铺设的大石上，现在放置着神经形态计算机、量子计算机和 AI 加速器的芯片效果图——所有这些都由 IBM 研究中心设计，强调了比特、神经元和量子比特的愿景这将为计算的未来提供动力。

当沙里宁设计办公室时，他想利用该地区的自然美景为在办公室工作的研究人员提供灵感。建造实验室的内部和外部使用了约 4,000 吨当地威彻斯特原石，沙里宁在实验室的整个周边安装了巨大的窗户，以便研究人员在紧张的工作期间能够不断地休息，享受清新的自然环境。与此同时，他在整个设施中设计了图书馆、大型中央自助餐厅和会议角落，以确保人们能够（也许有一点偶然）遇到从事完全不同任务的其他人，并找到新的灵感来源。这是新 Think 实验室试图在其设计中保持的东西。

目前还不清楚 1961 年的原始混凝土是否足够稳定，能够容纳这些庞大的新系统，因为稳定性的任何轻微波动都可能导致第二系统内部发生的极其微妙的量子计算失败。波德拉塞克表示，他们进行了无数次测试，以确保该空间能够支持其设想的一切，最后，团队对萨里宁最初设计中使用的混凝土和岩石的表现感到惊讶。 IBM 量子系统二号覆盖着抛光的阳极氧化铝，周围环绕着 70/30 玻璃，给人的印象是该系统存在于无限的反射中，以及量子计算运行所在的广阔的多维空间中。

今天第一次走进实验室时，你也会有类似的宏伟感。尽管这些系统是单一的并且需要您的注视，但 Podlaseck 和团队确保了这个空间是受欢迎的 - 并且适合更广泛的实验室。添加的家具符合实验室建造的中世纪时代。当我来和波德拉塞克说话时，旁边有一台电唱机正在旋转 Coltrane。你可以给自己泡一杯浓缩咖啡，在会议间隙坐下来聆听量子计算机有节奏的声音。它很邀请、鼓励人们过来看看有什么新鲜事，也许还可以与同事建立新的联系。正如前首席执行官小托马斯·沃森 (Thomas Watson Jr.) 曾经说过的那样：“好的设计就是好的生意。”

Think Lab 入口处的休息区是寒冷天气里舒适的休憩场所。

该实验室不仅证明了 IBM 在其整个生命周期中如何构建新技术，而且也是回答计算领域最新紧迫问题的空间。随着我们开始解开其中一些问题的答案，它将会成长和发展，就像 IBM 本身几十年来的发展一样。

“这不是一个静态的实验室——它是作为一个实验室建造的，而不是作为一个陈列室，”纳扎里奥说。 “随着我们研究的发展，实验室将会发生变化。”