中國超算產業(yè)發(fā)展現狀分析

歷軍

“超級計算”，一個高深的名詞，隨著最近10年來中國超算行業(yè)逐漸進入國際領先地位而被頻繁提起，并逐漸走入大眾視野。在行業(yè)內外，不同的聲音也隨之出現，如超算行業(yè)巨大的投入與中國社會經濟發(fā)展所處的階段并不匹配，以及中國超算行業(yè)只會堆積硬件等問題。因此，客觀地評價中國超算行業(yè)對于國家科技發(fā)展、經濟轉型升級和提升公共民生福利的地位和重要作用，將對中國超算行業(yè)的決策和后續(xù)發(fā)展提供堅實的政策基礎和實踐參考。

1 超級計算機的戰(zhàn)略意義

高性能計算，又稱超級計算，是計算機科學重要的前沿性分支，從電子計算機誕生之日起，計算能力的提升就是信息產業(yè)從業(yè)人員追求的核心目標之一。它不僅是一個國家綜合科研水平的重要標志，也是綜合支撐國家安全、經濟和社會發(fā)展等可持續(xù)發(fā)展的不可替代的信息技術手段。

1.1 推動國家科技創(chuàng)新能力的跨越式發(fā)展

我國《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》（國發(fā)〔2016〕43號）明確提出“發(fā)展先進計算技術，重點加強 E級（百億億次級）計算、云計算、量子計算、人本計算、異構計算、智能計算、機器學習等技術研發(fā)及應用”。

高性能計算已經成為解決國家發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)性問題和科技創(chuàng)新的必備工具，如能源短缺、環(huán)境污染、全球氣候變化等可持續(xù)發(fā)展的困難；支持傳統(tǒng)產業(yè)轉型升級，如大飛機、高速列車及汽車的設計在各個階段均需要高性能計算支撐，有助于提高產品性能、縮短研發(fā)周期、降低設計成本；在生命科學方面，新藥研究、精準醫(yī)療正在改變著人們的醫(yī)療模式；計算材料學已經成為發(fā)現新功能材料，提高材料性能的重要手段。

1.2 以超算平臺為支撐的先進計算技術推動各學科交叉融合和發(fā)展

習近平總書記在2018年5月28日的兩院院士大會上指出，“以信息化、智能化為杠桿培育新動能。要突出先導性和支柱性，優(yōu)先培育和大力發(fā)展一批戰(zhàn)略性新興產業(yè)集群，構建產業(yè)體系新支柱。要推進互聯(lián)網、大數據、人工智能同實體經濟深度融合”。

當前，計算科學領域則正在從第三范式（傳統(tǒng)的計算模擬與數字仿真）走向第四范式（基于大數據相關性分析的科學發(fā)現和研究），高度依賴于高性能計算與科學大數據、深度學習之間的深度融合。近年來，人工智能的突破正是建立在超級計算機計算能力突飛猛進的發(fā)展和深度學習算法的成功結合。發(fā)展以超級計算機為支撐平臺的先進計算系統(tǒng)，將進一步推動高性能計算、智能計算和大數據的深度融合與創(chuàng)新發(fā)展。

1.3 推動完善戰(zhàn)略性國家基礎信息基礎設施的建設

信息和計算能力已經被視作現代社會的重要戰(zhàn)略資源，以承載超級計算能力和海量信息的超算中心為代表的大型信息化基礎設施也日益呈現出其作為建設創(chuàng)新型國家的戰(zhàn)略性基礎設施的重要性。超算中心具有鮮明的公共性、動態(tài)性、自治性和開放性等基礎設施平臺的特征，因此超算中心是一個資源匯聚、技術創(chuàng)新和人員交流的支撐平臺，可以提升區(qū)域科研水平，增強企業(yè)的核心競爭力，進而推動地方經濟建設。

1.4 廣泛服務于國家公共民生行業(yè)，提升社會的可持續(xù)發(fā)展和幸福指數

科學研究、能源行業(yè)、氣候氣象、生物醫(yī)藥和工業(yè)制造等國家重要的公共民生行業(yè)都是超算行業(yè)傳統(tǒng)的應用領域。例如，隨著數值天氣預報技術的快速發(fā)展，大幅提高了預報的準確率和時效性，對于農業(yè)、水利、海洋開發(fā)、航空、交通和環(huán)境保護等各相關行業(yè)提供了重要的社會公共產品，極大地增加了整個社會的福利。

2 國際超算行業(yè)的發(fā)展現狀

自從上一個10年，國際超級計算能力達到P級計算（1 PFlops，千萬億次計算，每秒鐘可執(zhí)行1015次雙精度浮點計算）之后，各國已經開始瞄準下一個性能目標——E級計算（1 EFlops，百億億次計算，每秒鐘可執(zhí)行1018次雙精度浮點計算）。

美國長期以來對超算產業(yè)的大力支持，使得美國在系統(tǒng)研制、計算應用、超算服務及其人員結構等方面保持了國際領先的地位。為最大化推動超算產業(yè)為經濟競爭力和科學發(fā)現帶來的效益，2015年美國奧巴馬政府以“國家戰(zhàn)略計算推進計劃”（NSCI）總統(tǒng)行政命令的方式，完全由政府方面主導，旨在規(guī)劃出一個長期的、多機構參與的戰(zhàn)略遠景，制定聯(lián)邦政府投資戰(zhàn)略，并與工業(yè)界及學術界協(xié)同執(zhí)行。

歐盟也十分重視發(fā)展超級計算基礎設施，重點側重于軟件、應用和算法的研究。為此，歐盟曾規(guī)劃了若干個發(fā)展計劃。例如，德國的E級創(chuàng)新中心（EIC）計劃；西班牙巴塞羅那超級計算中心啟動了E級“EU Mont-Blanc計劃”；法國BULL公司的“SEQUANA”計劃等。歐盟 2013年啟動“Horizon 2020”（地平線 2020）計劃，其中的探索基金項目“面向百億億次的高性能計算”將在 2014—2020年投入7億歐元開展研究。

日本文部省2014年6月宣布啟動E級計劃，名為“post-K”，用于國家高性能計算基礎設施（HPCI）。初步預計的投資額為13億美元，2021年完成研制。日本強調以社會問題為導向，發(fā)展科學計算對解決社會問題的貢獻，以及科學計算與研究領域融合實現新的科學發(fā)現，將針對藥物發(fā)現與醫(yī)療保健、一般災害預防、能源環(huán)境問題和社會經濟預測等4個重點領域。

俄羅斯近幾年也加強了超級計算機的研發(fā)，其聯(lián)邦原子能署于2011年9月批準了《2012—2020年百億億次超級計算機為基礎的高性能計算技術構想》，撥款450億盧布，計劃到2020年達到百億億次運算能力。

3 中國超算業(yè)的發(fā)展現狀

3.1 中國超級計算機發(fā)展現狀

近10年來，在國家“863”等多個國家科技計劃的持續(xù)支持下，我國在超級計算領域取得了長足發(fā)展。從技術上看，以“天河”“神威”“曙光”等為代表的超級計算機的性能在 TOP500排行榜中長期處于世界領先位置，一共獲得過11次TOP500榜單的第1名，占全部次數的55%。

中國超級計算機制造廠商重要的里程碑式的事件有：2004年和2008年，曙光公司分別研制成功“曙光 4000”十萬億次計算機與“曙光 5000”百萬億次計算機分別進入TOP500排名前10位；2009年，國防科技大學研制成功“天河一號”千萬億次計算機，使我國成為繼美國之后世界上第2個研制成功千萬億次計算機的國家；2010年6月，曙光公司研制成功“星云”千萬億次計算機，性能列世界TOP500第2位；2010年11月，升級后的“天河-1A”系統(tǒng)創(chuàng)造了超級計算機全球排名第一的最好成績；2010年底，“神威·藍光”成為第1個全部采用國產 CPU實現的千萬億次超級計算機；2013年6月開始，“天河二號”連續(xù)6次位居TOP500第1名；2016年底第1次由全國產CPU的“神威·太湖之光”取代第1的位置。

習近平總書記在2018年5月28日的兩院院士大會上指出，“我們著力推進面向國家重大需求的戰(zhàn)略高技術研究，超級計算機連續(xù)10次蟬聯(lián)世界之冠，采用國產芯片的‘神威·太湖之光’獲得高性能計算應用最高獎‘戈登·貝爾’獎”。

可喜的是，中國超算產業(yè)不但進入技術領先的前列，而且在市場占有率上也在一步一個腳印地扎實提高。TOP500榜單上，來自中國超算的制造廠商已經從4年前的7.4%的份額，逐漸增長為接近50%，在市場份額上也逐漸和美國并駕齊驅。在國內市場，“曙光”系列高性能計算機已經連續(xù)9年在中國TOP100排行榜中占據最大市場份額，國產平臺的市場份額在2013年也首次超越了國外平臺；2018年國產平臺更是占據了全部榜單，最低性能全部超過1 PLOPS的計算能力。

曙光公司的產業(yè)化經驗表明，中國超算產業(yè)可持續(xù)性發(fā)展的關鍵在于：核心技術向產品轉化過程中，一定要以市場為導向，以企業(yè)為主體，產學研用相結合。中國超算產業(yè)需要把已經突破的關鍵技術下移到中、小規(guī)模系統(tǒng)，這不但可以擴大中國超算市場的參與度和衍生產品的收益，而且能夠輻射到更廣泛的應用領域，從而形成高性能-價格比、具備很強市場競爭力的通用批量產品。國家科研項目如何與企業(yè)產品開發(fā)相協(xié)調、相統(tǒng)一，將是決定我國超級計算技術今后發(fā)展方向的一個重要因素。

3.2 現階段國內超算行業(yè)應用水平

超級計算能力只有實際應用于國家安全與發(fā)展的重大行業(yè)，切實推動科技創(chuàng)新，提升工程設計和科學認識水平，才能實現其核心的價值。中國超算已經走過了以政府主導的機器研制帶動應用發(fā)展的階段，正在進入以應用需求引領系統(tǒng)研制的理性階段。

在國家“863”計劃相關重大項目的支持下，我國先后重點支持了物理化學、天文、氣候氣象、生物醫(yī)藥、新能源、流體仿真、大飛機、石油勘探地震成像等領域的超級計算應用，推動并研制出一批自主知識產權的重大行業(yè)應用軟件系統(tǒng)，應用上也形成了若干千萬級以上的處理器核進行并行計算模擬的應用實例，取得了一批重要成果，已經初步示范了能力型應用。

國家超級計算服務環(huán)境是在國家重大科研專項持續(xù)性支持下，聚合了國內優(yōu)秀的高性能計算資源和豐富的應用軟件資源，通過資源共享面向全國眾多領域的用戶提供了高性能計算與數據處理服務，支持了千余項國家各類科技計算和重要工程項目研究工作，初步形成了基礎設施形態(tài)，已經成為我國經濟、社會發(fā)展中不可或缺的組成部分。中國國家網格目前已經接入6個國家超級計算中心：無錫中心、天津中心、濟南中心、深圳中心、長沙中心和廣州中心。除此之外，各行業(yè)、各高校也趨向于統(tǒng)一建設高水平的超算中心，面向用戶提供集約化的超算服務。而且還有獨立運行的上海超級計算中心等一系列商業(yè)化超算服務建立起來。

我國在建設可持續(xù)發(fā)展社會，積極應對資源短缺、城市化進程等過程中出現了許多新情況和新挑戰(zhàn)，國內超算行業(yè)也在積極探索新型的超算類型以應對這些挑戰(zhàn)，如數據分析、機器學習、信息服務等應用類別占據了近年來 TOP100排行榜接近 50%的份額。曙光公司面向產業(yè)和用戶的需求，在智慧城市應用服務工作中積極應用和推廣自己掌握的超級計算技術，為信息安全、公共安全、城市管理探索了一條新的道路，這也充分證明了超算產業(yè)能夠發(fā)揮科技進步對經濟社會發(fā)展的支撐作用。

4 我國超算行業(yè)的機遇與挑戰(zhàn)

當前中國正在面臨產業(yè)結構升級、建設社會經濟可持續(xù)發(fā)展的全面小康社會的關鍵階段，作科技創(chuàng)新核心競爭力之一的超算行業(yè)正面臨著一個全面發(fā)展的戰(zhàn)略機遇。

《中國科學院“十三五”發(fā)展規(guī)劃綱要》中明確提出，“重點圍繞基礎前沿交叉、先進材料、能源、生命與健康、海洋、資源生態(tài)環(huán)境、信息、光電空間等8個重大創(chuàng)新領域和有關重點方向，及國家重大科技基礎設施、數據與計算平臺等兩類公共支撐平臺，進行我院未來科技布局”。

在行業(yè)重大機遇的面前，中國超算行業(yè)也同樣面臨著重大挑戰(zhàn)，“機會總是留給有準備的人”。

4.1 核心技術一定程度上還依賴國外

中國超算制造水平已經進入世界領先地位，但受限于信息產業(yè)的整體水平，使得中國超算產業(yè)核心技術突破的面不夠寬，自主技術發(fā)展還較為緩慢。中國商用超算系統(tǒng)絕大部分采用國外廠商的芯片、系統(tǒng)和應用軟件等，自主技術的超級計算機相對較少。

習近平總書記在2018年4月20日的全國網絡安全和信息化工作會議上指出，“核心技術是國之重器。要下定決心、保持恒心、找準重心，加速推動信息領域核心技術突破”。國產芯片是中國信息技術（IT）產業(yè)的基石，是超級計算的核心技術?；环€(wěn)，產業(yè)發(fā)展再絢爛都有隨時傾覆可能。

與國外廠商的產品相比，國內企業(yè)、科研機構研制的核心技術往往在若干單點技術進行突破，距離形成系統(tǒng)的產業(yè)化生態(tài)環(huán)境差距巨大。例如，處理器的制造工藝落后1—2代，處理器的主頻和單核性能較低；國產處理器的軟硬件生態(tài)環(huán)境尚未完全建立，應用適配程度較低等。

4.2 超算應用軟件研發(fā)與產業(yè)化、高水平應用人才培養(yǎng)和隊伍建設亟待加強

由于我國超算行業(yè)剛剛進入快速發(fā)展的階段，超算應用的生態(tài)環(huán)境尚未建立起來，高水平超算應用和人才隊伍積累明顯不足，主要體現在超算軟件應用領域較窄，自主研發(fā)的并行應用軟件不夠豐富，各層次超算人才的培養(yǎng)有待加強。

中國超算行業(yè)中，很多重要應用還需要采購國外昂貴的商業(yè)軟件。一些國家重大行業(yè)應用單位通過經驗累積和摸索，研發(fā)了部分應用軟件系統(tǒng)，但多數停留于自研自用；由于缺少相應的產業(yè)化工作，比如行業(yè)內認可的第三方驗證和確認，商業(yè)推廣應用能力不足，較難被行業(yè)更多用戶認可。在傳統(tǒng)超算應用行業(yè)之外，從業(yè)人員的思路限制及過高的入門門檻，使得規(guī)?；⑿袘貌⒉粡V泛，往往以跟隨國外成熟軟件的應用為主，缺乏應用創(chuàng)新性的動力。

現有的國家項目的組織機制和管理方法以中短期的項目資助模式為主，強調單點應用或技術的突破，而缺乏全局生態(tài)環(huán)境的頂層設計和產業(yè)化持續(xù)造血能力，從而導致項目結束之后，面臨超算應用的后續(xù)迭代投入和產業(yè)化推廣的困境。項目管理的方式也不能很好地適應超算軟件的應用需求牽引、多學科交叉和協(xié)同創(chuàng)新的現實情況，因此急需新的組織管理和體制機制的創(chuàng)新。

4.3 超算基礎設施的投入產出比需提升，進一步發(fā)揮對經濟和產業(yè)的作用

近10年以來，在國家科技計劃的大力支持下，國內超算環(huán)境的建設堅持公共性服務平臺的屬性取得了階段性的豐碩成果，減少了由地方、行業(yè)或者企業(yè)自建超算中心而造成的資源重復投入的弊端。但公共性的超算中心往往在應用軟件的開發(fā)能力和商業(yè)化運營上略有不足，運維費用和基礎設施的升級依賴于外部政策性投入，因此往往給社會民眾造成偏基礎設施運維、投入大產出少的印象。

未來，國內超算中心要尋求可持續(xù)性發(fā)展，可在服務于國家、地方重大應用需求外，與用戶合作加強基礎應用軟件的開發(fā)能力，并且跨出地方性服務范疇，將相關應用的開發(fā)經驗、成果與行業(yè)、產業(yè)界橫向輻射和聯(lián)結，充分發(fā)揮超算中心對彌補產業(yè)軟性短板、支撐產業(yè)經濟發(fā)展的重要作用。

5 我國超算行業(yè)的破冰之道

超算行業(yè)的研發(fā)和生產需要長期投入和積累，它不是單一領域技術爆發(fā)，而是需要全方位科技進步為依托。我國應該抓住未來E級計算的契機，在戰(zhàn)略層面上做好頂層規(guī)劃，建立中國超算完整的生態(tài)環(huán)境。

5.1 超算行業(yè)發(fā)展需要國家戰(zhàn)略統(tǒng)攬，構建完整的生態(tài)環(huán)境

超算產業(yè)具有技術復雜、研制周期長、投資巨大、參與部門多、輻射面廣，無論是單一依靠政府項目投資引導，還是完全交給市場的產業(yè)性行為都是不現實的。超算行業(yè)必須在國家層面予以戰(zhàn)略統(tǒng)籌，建立超算行業(yè)的組織機制和體制的創(chuàng)新，由政府主導制定出科學分析的、長期投資的、多部門合作的中長期遠景規(guī)劃，扎實推進百億億次及以上量級的超級計算研究、開發(fā)與部署應用。

我國超算行業(yè)不應該僅滿足于維持超算系統(tǒng)的建造技術領先地位，還應努力構建一個涵蓋系統(tǒng)硬件（尤其是高端芯片和其他核心器件）、系統(tǒng)軟件、開發(fā)工具、應用軟件甚至包括人才隊伍的超算生態(tài)環(huán)境。同時，中國超算產業(yè)需要借鑒全球的先進技術和先進經驗，既要堅持擁有獨立自主的技術儲備，也要主動和國際主流技術和標準進行接軌，以最大化善用前人豐富的技術積累。為了加快中國超算產業(yè)的發(fā)展進程，對于嚴重缺失的技術短板也應該采用“引進—消化—吸收—創(chuàng)新”的方式。這樣才能保證在最短時間內彌齊產業(yè)鏈，從而確保中國超算行業(yè)中硬件和軟件能夠平衡地長效可持續(xù)發(fā)展，切實起到引領科技進步和帶動社會經濟發(fā)展的核心作用。

5.2 以應用需求為主線，以超算產業(yè)化為目標，加強超算產業(yè)生態(tài)鏈的建設

我國科技人員發(fā)揮自主創(chuàng)新的精神，不盲目跟隨國外技術，而是立足中國的戰(zhàn)略需求，敢為天下先，這是我國超算技術取得跨越式發(fā)展的一個重要原因。當前，我國正在推進國家創(chuàng)新體系建設，積極探索，大膽嘗試，堅持腳踏實地與志存高遠相結合，既著眼當前、解決經濟發(fā)展中的瓶頸制約，又放眼未來、超前部署搶占未來制高點的重點領域，這對我國超級計算技術今后的進一步發(fā)展是尤為關鍵的。

中國超算企業(yè)應該充分發(fā)揮深刻理解市場需求的優(yōu)勢，結合產業(yè)和用戶迫切需求進行技術研發(fā)布局，堅持自主創(chuàng)新，發(fā)展與應用安全可控的核心技術；對自身的高端技術進行技術下移，堅持設計與開發(fā)一流品質的產品，肩負起超算產業(yè)市場推廣和產業(yè)輻射的重任。

企業(yè)借助自身市場優(yōu)勢進行廣泛地科研創(chuàng)新和產業(yè)化合作，支持用戶將高端技術“走出去，用起來”。在中國科學院領導的大力支持下，曙光公司牽頭成立了“中科院先進計算技術創(chuàng)新與產業(yè)化聯(lián)盟”并擔任理事長單位，在中國科學院創(chuàng)新鏈、產業(yè)鏈“兩鏈嫁接”中走在行動的前列。

2018年，在國家發(fā)改委的指導下，曙光公司又聯(lián)合多家上下游企業(yè)、科研院所、知名高校牽頭成立了“國家先進計算產業(yè)創(chuàng)新中心”，建立了以企業(yè)為主體、資本為紐帶、國家重大需求為牽引、技術與資本深度融合、平臺與成果開放共享的高效運行機制，在多方協(xié)同建設“產學研用”生態(tài)、體制機制創(chuàng)新方面做了有益的探索。

5.3 關注超算產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，加強超算應用輻射能力的建設

在超算產業(yè)發(fā)展良好的趨勢下，我們應該清醒地認識到，如何利用好已有的歷史積累促進中國超算產業(yè)可持續(xù)性發(fā)展還任重而道遠。

在新的超算產業(yè)發(fā)展歷史時期，我們應該鼓勵超算中心根據區(qū)域產業(yè)和合作單位的優(yōu)勢領域，把現有的超算中心建設成為各具特色的、聚焦于不同學科領域的合作交流平臺、人才培養(yǎng)平臺和應用開發(fā)平臺，緊跟技術發(fā)展趨勢，縮短創(chuàng)新技術的產業(yè)化鏈條，形成科技創(chuàng)新帶動的產業(yè)化集群中心，更多地服務于區(qū)域產業(yè)結構升級，帶動區(qū)域經濟轉型升級和社會民生服務。

超算產業(yè)必須以人為本，建立以前沿交叉技術為核心的人才隊伍，現階段來看，我國超算產業(yè)的人才隊伍明顯不足。國家應該鼓勵高校和企業(yè)合作，需要積極拓展多種形式的學術界和產業(yè)界人才培養(yǎng)的模式，加強國內外人才交流合作，推進中國超算產業(yè)、應用技術和科技創(chuàng)新的輻射能力。

6 中國超算業(yè)的發(fā)展趨勢展望

目前，各國普遍預計到 2020—2021年，E級超級計算機將登上歷史舞臺，因此E級超級計算機是當前世界各國競相角逐的戰(zhàn)略制高點。從P級計算到E級計算不簡單地是一個性能指標上的提升，E級計算在能耗、性能、可擴展性、可靠性、生態(tài)環(huán)境、應用編程、應用效率與適應性、多領域應用融合等諸多方面面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。我國的“神威”“天河”和“曙光”已經研制成功了3臺E級原型機，驗證了部分 E級超算的核心技術路線，達到了世界超算技術前列。

在中國科學院領導的大力支持下，曙光公司已經研制成功與現有主流技術標準和生態(tài)環(huán)境完全兼容的、性能全球領先的超級計算機，尤其采用了全新的相變液冷技術，基本達到現有硅基芯片制冷的極限散熱能力。在中國科學院相關單位的支持下，初步建立了完整的生態(tài)環(huán)境，有希望探索出一條新的超算產業(yè)發(fā)展路徑。

在后 E級時代，半導體工藝已逐步逼近其物理極限，傳統(tǒng)馮·諾依曼架構的瓶頸日益凸顯。超導計算機、量子計算機、類腦計算機、生物計算機、光計算機等新型計算機系統(tǒng)已經開始研發(fā)。不過在短期內，基于硅基半導體工藝的傳統(tǒng)超級計算技術仍然是主流，但長期來看，這些新技術具有很好的發(fā)展前景。

超級計算機的傳統(tǒng)應用領域是科學研究，如氣象預測、石油勘探、CAE仿真、新材料研究、新藥發(fā)現、基因測序等。但時至今日，超算應用領域早已擴展至互聯(lián)網、物聯(lián)網、人工智能等領域，超級計算技術也滲透到了人們日常生活的方方面面。目前，超級計算機支撐著我們幾乎所有的大型信息基礎設施；未來，其也將成為城市的智慧大腦，匯聚海量數據，優(yōu)化城市管理和服務，改善市民生活質量，為我們創(chuàng)造更加美好的生活。?