中國高性能計算機發(fā)展現(xiàn)狀分析與展望

張云泉

2016年被稱為“中國超算大滿貫年”，實現(xiàn)中國研制的國產(chǎn)超級計算機8連冠；中國高性能計算機首次獲得戈登·貝爾獎。

Linpack測試結(jié)果是衡量高性能計算機的一個重要指標。自1993年起，國際上根據(jù)這個指標對世界范圍內(nèi)的計算機進行排行，一年兩次，前500名進入排名（簡稱TOP500）。由此，這個排行榜越來越多地獲得人們的重視，成為高性能計算機研制生產(chǎn)、市場發(fā)展、應用交流和趨勢分析預測的重要參考。中國自2002年起開始向國際申報Linpack測試結(jié)果，同年聯(lián)想深騰1800萬億次機群名列世界TOP500第43名，結(jié)束了在世界TOP500排行榜沒有國產(chǎn)高性能計算機的歷史。

自2002年起，中國的高性能計算機在國際上屢創(chuàng)新高，體現(xiàn)了我國高性能計算機的發(fā)展速度，同時也帶來了巨大的發(fā)展動力。2010年9月，國產(chǎn)“天河一號”位列當年11月TOP500排行榜的第一名，實現(xiàn)歷史突破。這一年，中國多臺設備榜上有名，數(shù)量上首次實現(xiàn)超越日本和歐盟，位列世界第二（第一是美國），標志著我國超級計算機硬件的研制水平達到國際領(lǐng)先水平。2013年 6月，由國防科大研制的“天河二號”超級計算機位列世界TOP500第一名，實現(xiàn)6連冠。

2016年被稱為“中國超算大滿貫年”。中國的TOP500上榜數(shù)量首次超過美國，位列世界第一；聯(lián)想生產(chǎn)的高性能計算機系統(tǒng)首次闖入世界前二強，位居美國HPE之后；“神威·太湖之光”超級計算機再次取得世界TOP500冠軍位置，實現(xiàn)中國研制的國產(chǎn)超級計算機8連冠；中國高性能計算機首次獲得戈登·貝爾獎；中國科技大學安虹教授帶領(lǐng)的大學生團隊代表中國奪得2016年度世界大學生集群大賽的Linpack單項冠軍和總冠軍。

從2003年開始，我國發(fā)布中國高性能計算機排行榜（簡稱TOP100），從發(fā)展趨勢來看，2016中國TOP100的總Linpack性能是2015年的2.33倍，增速從過去幾年的一倍速恢復到兩倍速，同年，世界的增幅是1.6倍。這些變化表明世界超級計算的發(fā)展正在逐漸走出低谷，迎來新的復蘇，中國高性能計算的發(fā)展更是走出停滯期，進入活躍期。

2016年，中國TOP100上榜的設備分別來自7家制造商，曙光公司、聯(lián)想集團、浪潮公司依然位列裝機數(shù)量的前三甲，占據(jù)87%以上的市場份額。但也存在一定問題，機器規(guī)模偏小，因此總的計算能力并不占優(yōu)勢。設備國產(chǎn)化率達到98%，來自美國廠商的產(chǎn)品數(shù)量占裝機總數(shù)的2%，國外廠商在高性能計算機領(lǐng)域逐漸退出中國市場。國產(chǎn)廠商在逐漸獲得國內(nèi)市場的壟斷優(yōu)勢之后，紛紛開始布局國際市場。其中，華為和聯(lián)想公司由于其跨國公司的自然屬性，具備先發(fā)優(yōu)勢，浪潮公司和曙光公司從2016年起在國際市場也開始有所突破。超級計算系統(tǒng)將繼高鐵之后，成為另一個出口的中國制造高科技產(chǎn)品。

從上榜機器性能份額來看，神威位列第一，其次分別為國防科技大學、曙光公司、聯(lián)想集團和浪潮公司。神威的出現(xiàn)，使得中國高性能計算機的總性能得到巨大提升。

高性能計算機的應用領(lǐng)域很多，多年來隨著社會的發(fā)展也產(chǎn)生了一些變化，從2016年11月發(fā)布的中國TOP100的應用領(lǐng)域來看，國內(nèi)的高性能計算主要分布在互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)服務、政府部門、超算中心、云計算、信息安全、大氣氣象、教育、科學計算、電力、視頻計算、電子商務、半導體、電信等15個領(lǐng)域。領(lǐng)域的數(shù)量保持與上一年持平?；ヂ?lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的應用在份額排名中位列第一，達到了47%，約占一半左右的使用量。這個結(jié)果得益于中國互聯(lián)網(wǎng)公司的快速崛起，同樣與深度學習算法的廣泛應用直接相關(guān)?；ヂ?lián)網(wǎng)公司通過深度學習算法，重新發(fā)現(xiàn)了超級計算機特別是GPU加速的異構(gòu)超級計算機的價值，因此紛紛投入巨資建設新的系統(tǒng)。

從應用領(lǐng)域的機器數(shù)量份額上看，國內(nèi)的幾大主要應用領(lǐng)域是互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)（47%）、互聯(lián)網(wǎng)服務（14%）、政府部門（9%）、超算中心和云計算（7%）。從應用領(lǐng)域的機器性能份額上幾個領(lǐng)域分別占據(jù)情況是：超算中心（66.85%）、互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)（16.34%）、互聯(lián)網(wǎng)服務（5.23%）、政府部門（3.28%）、云計算（2.87%）?？梢?，國內(nèi)高性能計算機應用中最突出的特點是互聯(lián)網(wǎng)服務和大數(shù)據(jù)應用異軍突起，成為2016年中國高性能計算應用的新熱點，其中互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)領(lǐng)域增長強勁。

根據(jù)歷年積累的數(shù)據(jù)，我們分析了中國TOP100從2003年到2016年的應用領(lǐng)域趨勢圖。如果按產(chǎn)學研三個大領(lǐng)域粗略劃分，“學”主要是指教育，“研”主要是指科研機構(gòu)（超算中心、大氣氣象、生物信息、科學計算等），其他的都算作“產(chǎn)業(yè)”，那么2016年產(chǎn)學研三者的數(shù)量比例是：87：1：12。但是專門用于高性能計算教育和科研用的超算環(huán)境一直在較低的數(shù)量徘徊，僅有兩套，這里很大一部分科學計算工作通過6家國家超級計算中心完成，因此計算需求并未消失。超算中心的機器數(shù)量份額雖然只達到了7%，但其性能份額仍然排名第一且?guī)缀踹_到總性能的2∕3，說明國家對國家超算中心的投入在2016年隨著兩套100PFlops超算系統(tǒng)的升級和研制接近完成，產(chǎn)生了更多的影響和效果。

目前中美日歐等國家和地區(qū)都已經(jīng)公開發(fā)布了其未來的E級超級計算系統(tǒng)的研制計劃，幾乎都希望在2020年到2024年之間發(fā)布E級系統(tǒng)，奪取世界第一。在中國的“十三五”規(guī)劃里，在經(jīng)歷科技部的科研管理體制改革之后，國家設立了三個E級原型系統(tǒng)的研制課題，分別由國家并行計算機工程中心（計劃安裝在山東）、曙光公司（計劃安裝在上海和深圳）和國防科大（計劃安裝在天津）牽頭負責研制，并在2018年選定沖擊E級超級計算系統(tǒng)的研制方和安裝地點。

經(jīng)過20年的發(fā)展，中國的高性能計算已經(jīng)走過艱難時期，開始進入新的發(fā)展階段。我們預測中國的累計Linpack性能將在2017年到2018年間達到1000Petaflops。峰值Exaflops的機器將在2018年到2019年間出現(xiàn)。

目前，中國超級計算機的發(fā)展還有很多大事值得關(guān)注，國家超算廣州中心的“天河二號”升級計劃；三套E級原型系統(tǒng)的研制；兩套國產(chǎn)100P系統(tǒng)全部正式投入服務后的使用情況。未來2到3年，中國超級計算行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)性問題將來自應用軟件，這將直接影響我國高性能計算發(fā)展的未來。