全球高性能計(jì)算發(fā)展態(tài)勢分析

鄭曉歡 陳明奇 唐川 張娟 房俊民

1 引言

高性能計(jì)算（high performance computing，HPC）是利用并行處理和互聯(lián)技術(shù)將多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)連接起來，從而高效、可靠、快速地運(yùn)行高級應(yīng)用程序的過程，在許多情況下又被稱作超級計(jì)算（supercomputing），可以提供比普通臺式計(jì)算機(jī)或工作站更高的性能，以解決科學(xué)、工程或商業(yè)中的復(fù)雜問題，已成為解決科學(xué)研究、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國家安全等方面諸多重大難題的重要手段。發(fā)展高性能計(jì)算催生了許多高端技術(shù)，并推動了下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此各發(fā)達(dá)國家多年來均投入大量資金和人力發(fā)展高性能計(jì)算。

目前，我國已建成由17個(gè)高性能計(jì)算中心構(gòu)成的國家高性能計(jì)算服務(wù)環(huán)境，資源能力位居世界前列，尖端成果不斷涌現(xiàn)。我國研制的超級計(jì)算機(jī)已連續(xù)10次在以Linpack性能排名的HPC TOP500中奪冠，我國學(xué)者開發(fā)的超算應(yīng)用還連續(xù)兩次獲得 ACM 戈登·貝爾獎(jiǎng)，說明我國不但能造出世界上速度最快的計(jì)算機(jī)，而且能在超級計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)其他國家還做不到的實(shí)際應(yīng)用，高性能計(jì)算已像航天和高鐵一樣成為中國的“名片”。同時(shí)，各國紛紛加強(qiáng)高性能計(jì)算研發(fā)布局和應(yīng)用拓展，我國已做好百億億次計(jì)算的戰(zhàn)略部署，新一輪競爭已經(jīng)開始。在此背景下，本文對全球高性能計(jì)算發(fā)展態(tài)勢進(jìn)行了剖析和討論。

2 主要國家和地區(qū)戰(zhàn)略規(guī)劃與項(xiàng)目部署

2.1 美國

美國以“國家戰(zhàn)略性計(jì)算計(jì)劃”為主要綱領(lǐng)，由不同政府部門協(xié)同推進(jìn)未來高性能計(jì)算，特別是百億億次計(jì)算研發(fā)與應(yīng)用。

2015年 7月，美國正式啟動“國家戰(zhàn)略性計(jì)算計(jì)劃”（National Strategic Computing Initiative，NSCI），旨在使 HPC的研發(fā)與部署最大程度地造福于經(jīng)濟(jì)競爭與科學(xué)發(fā)現(xiàn)。NSCI確定了 HPC研發(fā)的指導(dǎo)原則與目標(biāo)，界定了參與機(jī)構(gòu)的性質(zhì)與職責(zé)，并設(shè)立了協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)。2016年7月發(fā)布的“國家戰(zhàn)略性計(jì)算計(jì)劃戰(zhàn)略規(guī)劃”則在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步明確了各機(jī)構(gòu)在每一項(xiàng)發(fā)展目標(biāo)中的具體責(zé)任。該計(jì)劃設(shè)定的戰(zhàn)略目標(biāo)有：加快可實(shí)際使用的百億億次計(jì)算系統(tǒng)的交付；加強(qiáng)建模、仿真技術(shù)與數(shù)據(jù)分析計(jì)算技術(shù)的融合；在15年內(nèi)為HPC系統(tǒng)乃至后摩爾時(shí)代的計(jì)算系統(tǒng)研發(fā)開辟一條可行的途徑；實(shí)施整體方案，綜合考慮聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、工作流、向下擴(kuò)展、基礎(chǔ)算法與軟件、可訪問性、勞動力發(fā)展等諸多因素的影響，提升國家HPC生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)能力；創(chuàng)建一個(gè)可持續(xù)的公私合作關(guān)系，確保HPC研發(fā)的利益最大化，并實(shí)現(xiàn)美國政府、產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界間的利益共享。

此外，一些政府科研部門也有相應(yīng)部署和投入，主要包括以下。

2.1.1 美國國家科學(xué)基金會超算系統(tǒng)投資計(jì)劃作為美國國家科學(xué)基金會（NSF）“極限數(shù)字發(fā)展計(jì)劃”（XD）的一部分，2014年11月，NSF宣布投資1620萬美元構(gòu)建兩套超算系統(tǒng)，用于補(bǔ)充開放科學(xué)團(tuán)體現(xiàn)有的資源，使研究人員能在更廣泛的前沿科學(xué)領(lǐng)域中利用HPC。這兩套超算系統(tǒng)被分別命名為“橋（bridges）”和“噴流（jetstream）”，并于 2016年投入使用。

（1）“橋”（bridges）。Bridges獲資960萬美元，位于匹茲堡大學(xué)的匹茲堡超級計(jì)算中心，重點(diǎn)幫助科學(xué)家解決需要處理和移動大量數(shù)據(jù)、對計(jì)算速度要求不高的科學(xué)問題，可針對不同的問題和數(shù)據(jù)量，為用戶提供定制化的內(nèi)存、數(shù)據(jù)帶寬、計(jì)算能力。

（2） “噴流” （jetstream）。Jetstream獲資660萬美元，分散安置于印第安那大學(xué)的泛在技術(shù)研究所和德州大學(xué)奧斯汀分校的德州先進(jìn)計(jì)算中心（TACC），是全球最大的公共科技云之一，用于補(bǔ)充美國國家網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中基于云的計(jì)算能力，幫助研究人員按需訪問云計(jì)算和數(shù)據(jù)分析資源，以滿足科學(xué)與工程研究群體的多樣化計(jì)算需求。

2.1.2 美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室 2015—2019年技術(shù)實(shí)施計(jì)劃2015年 1月，美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室（ARL）發(fā)布“2015至 2019年技術(shù)實(shí)施計(jì)劃”，分別從技術(shù)研發(fā)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)兩個(gè)層面提出美國陸軍對高性能計(jì)算研發(fā)與建設(shè)的短、中、長期目標(biāo)。

2.1.3 美國能源部下一代超級計(jì)算機(jī)研發(fā)項(xiàng)目針對“國家戰(zhàn)略性計(jì)算計(jì)劃”，美國能源部（DOE）于2016年4月推出了“百億億次計(jì)算項(xiàng)目”（Exascale Computing Project，ECP），將此前處于初期的“百億億次計(jì)算行動計(jì)劃”（Exascale Computing Initiative）逐步轉(zhuǎn)變?yōu)檎降腄OE項(xiàng)目。ECP旨在解決對未來百億億次系統(tǒng)的有效開發(fā)和部署至關(guān)重要的硬件、軟件、平臺和人才發(fā)展需求，使高性能計(jì)算為美國經(jīng)濟(jì)競爭力、國家安全和科學(xué)發(fā)現(xiàn)帶來最大程度的利益。ECP將開發(fā)運(yùn)算性能是當(dāng)前的千萬億次系統(tǒng)50～100倍甚至更高的超算系統(tǒng)，提供突破性建模與仿真方案以在更短的時(shí)間內(nèi)分析更多數(shù)據(jù)。

作為10年期項(xiàng)目，ECP重點(diǎn)關(guān)注以下4個(gè)領(lǐng)域。

（1）應(yīng)用開發(fā)：使ECP的應(yīng)用套件具備可擴(kuò)展的性能，能在 ECP百億億次系統(tǒng)上有效執(zhí)行。

（2）軟件技術(shù)：擴(kuò)展現(xiàn)有的DOESC和NNSA軟件棧，使其能有效使用百億億次系統(tǒng)。同時(shí)開展工具與方法研發(fā)，改進(jìn)生產(chǎn)性能并提升可移植性。

（3）硬件技術(shù)：資助超算供應(yīng)商開展創(chuàng)建百億億次系統(tǒng)所需的硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)研發(fā)。

（4）百億億次系統(tǒng)：資助測試床和先進(jìn)系統(tǒng)工程的開發(fā)，關(guān)注采購功能性百億億次系統(tǒng)所需增量式現(xiàn)場準(zhǔn)備和系統(tǒng)擴(kuò)展的成本。

總額為3980萬美元的首輪經(jīng)費(fèi)全額資助了15項(xiàng)應(yīng)用開發(fā)項(xiàng)目和7項(xiàng)種子基金項(xiàng)目，涵蓋45家研究和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)，旨在開發(fā)側(cè)重于可移植性、可用性和可擴(kuò)展性的先進(jìn)建模和模擬解決方案，應(yīng)對DOE在科學(xué)發(fā)現(xiàn)、清潔能源、國家安全和與國立衛(wèi)生研究院（NIH）的國家癌癥研究所（NCI）合作的精準(zhǔn)醫(yī)療計(jì)劃等方面所面臨的具體挑戰(zhàn)。

2.2 歐盟

2.2.1 ETP4HPC與歐盟高性能計(jì)算戰(zhàn)略研究議程歐洲高性能計(jì)算技術(shù)平臺（ETP4HPC）在歐洲HPC生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著“研發(fā)新技術(shù)、提升社會經(jīng)濟(jì)效益、協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)與項(xiàng)目間合作”等多重關(guān)鍵作用。2013年12月，ETP4HPC與歐盟委員會簽訂合同制公私伙伴關(guān)系（contractual public-private partnerships，cPPP），歐盟“地平線 2020”（H2020）計(jì)劃對 HPC投資 7億歐元，而ETP4HPC也將提供匹配研發(fā)資金。2015年9月，ETP4HPC與PRACE聯(lián)合啟動為期30個(gè)月的“歐洲極限數(shù)據(jù)與計(jì)算行動計(jì)劃”（EXDCI），以促進(jìn)歐洲HPC生態(tài)系統(tǒng)中關(guān)鍵機(jī)構(gòu)和項(xiàng)目之間的合作。

2015年11月，ETP4HPC發(fā)布2015年版 HPC戰(zhàn)略研究議程（SRA），旨在提出歐洲百億億次計(jì)算的路線圖。該議程在原有的6大重點(diǎn)領(lǐng)域外，還提出了新的技術(shù)領(lǐng)域和新的概念，以及HPC技術(shù)研發(fā)四維度，具體包括：① 新技術(shù)研發(fā)，為更廣泛的HPC市場提供更多具備競爭性和創(chuàng)新性的HPC系統(tǒng)；② 通過為新技術(shù)提供增強(qiáng)的、合適的特性，解決極限規(guī)模需求；③ 開發(fā)新的 HPC應(yīng)用，包括復(fù)雜系統(tǒng)（如電網(wǎng)）控制、云模型、大數(shù)據(jù)等；④ 通過HPC技能培訓(xùn)和服務(wù)支撐，提升HPC解決方案的可用性。

2.2.2 歐盟HPC公私合作伙伴關(guān)系2013年12月，歐盟委員會針對8個(gè)領(lǐng)域宣布與歐洲產(chǎn)業(yè)界建立合同性公私合作伙伴關(guān)系（cPPP），并通過“地平線 2020”計(jì)劃提供62億歐元，其中HPC cPPP獲得7億歐元的資助，用于攜手技術(shù)供應(yīng)商和用戶開發(fā)下一代百億億次超級計(jì)算機(jī)技術(shù)、應(yīng)用和系統(tǒng)。其預(yù)期成果是：制定對產(chǎn)業(yè)競爭力、可持續(xù)發(fā)展、社會和經(jīng)濟(jì)效益具有顯著影響的研究與創(chuàng)新戰(zhàn)略，促進(jìn)涵蓋整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的HPC生態(tài)系統(tǒng)，通過提供HPC資源和技術(shù)使用的便利條件來擴(kuò)大用戶群。

2016年5月，歐盟根據(jù)其2016—2017工作計(jì)劃，發(fā)布H2020計(jì)劃HPC領(lǐng)域招標(biāo)公告，此次招標(biāo)屬于未來新興技術(shù)（FET）前瞻計(jì)劃的一部分，旨在利用從千萬億次向百億億次計(jì)算過渡中出現(xiàn)的新機(jī)遇，創(chuàng)建下一代極限性能計(jì)算。

2.2.3 歐盟 1.4億歐元資助多個(gè)HPC項(xiàng)目和卓越中心2015年9月，歐盟宣布投資 1.4億歐元，資助 21項(xiàng)“邁向百億億次高性能計(jì)算”的HPC項(xiàng)目并新建8所面向計(jì)算應(yīng)用的卓越中心。其中三個(gè)項(xiàng)目——ExaNest，ExaNode和 ECOSCALE于 2016年底合作完成了 ARM64+FPGA架構(gòu)的百億億次超算機(jī)原型。

2.2.4 歐盟框架計(jì)劃百億億次計(jì)算項(xiàng)目研究進(jìn)展歐盟希望在2022年前能建造3臺全球頂級的超級計(jì)算機(jī)，為此H2020之前的FP7框架計(jì)劃（2007—2013）資助了 8項(xiàng)百億億次計(jì)算研究項(xiàng)目，且在2011—2016年間投入的資助超過5000萬歐元。這些項(xiàng)目主要用于解決算法和應(yīng)用開發(fā)、系統(tǒng)軟件、能源效率、工具和硬件設(shè)計(jì)等方面的挑戰(zhàn)。

2016年9月，歐盟委員會發(fā)布百億億次計(jì)算研究概述報(bào)告，回顧了 FP7所資助計(jì)算項(xiàng)目的研究進(jìn)展，包括：CRESTA，百億億次軟件、工具和應(yīng)用的合作研究；DEEP/DEEP-ER，動態(tài)的百億億次入口平臺及其拓展；Mont-BlancI+II，面向節(jié)能 HPC的歐洲路徑，目前已經(jīng)進(jìn)入第三階段，計(jì)劃在2019年前設(shè)計(jì)出一個(gè)新的高端HPC平臺，能以更低的能耗、更高的性能運(yùn)行真實(shí)應(yīng)用；EPiGRAM，百億億次編程模型，在消息傳遞接口（MPI）并行編程設(shè)計(jì)中引入和實(shí)現(xiàn)新概念，以實(shí)現(xiàn) MPI在執(zhí)行時(shí)間和內(nèi)存消耗方面的可擴(kuò)展性；EXA2CT，百億億次算法與先進(jìn)計(jì)算技術(shù)；Numexas，面向工程和應(yīng)用科學(xué)中關(guān)鍵百億億次計(jì)算挑戰(zhàn)的數(shù)值方法和工具等。

2.3 日本

2013年12月，日本文部科學(xué)省推出百億億次超級計(jì)算機(jī)研發(fā)項(xiàng)目，旨在保持日本在計(jì)算科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先優(yōu)勢。新的超級計(jì)算機(jī)“后京”（Post-K）預(yù)計(jì)于2020年投入使用，速度將是日本現(xiàn)有最快超級計(jì)算機(jī)“京”的100倍。新的百億億次超級計(jì)算機(jī)研發(fā)被文部科學(xué)省列為“旗艦 2020計(jì)劃”（Flagship 2020 Project），由日本理化學(xué)研究所（RIKEN）的計(jì)算科學(xué)研究機(jī)構(gòu)（AICS）負(fù)責(zé)實(shí)施。文部科學(xué)省2015年8月公布的2016年預(yù)算顯示，該計(jì)劃2016年獲得了76億日元的撥款，比前一年的39億日元增加了近一倍。

“后京”的研發(fā)秉持 4項(xiàng)基本的設(shè)計(jì)方針：能解決實(shí)際的社會和科學(xué)問題；在能效方面具備國際競爭力；最大程度地利用前任“京”確立的技術(shù)、人才和應(yīng)用；2020年以后也能針對半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展實(shí)現(xiàn)有效的性能擴(kuò)展?；谶@4項(xiàng)方針，“后京”的開發(fā)將通過系統(tǒng)與應(yīng)用的協(xié)同設(shè)計(jì)（Co-design）進(jìn)行，一是開發(fā)下一代超算系統(tǒng)“后京”，二是面向“后京”的使用開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用，以解決革命性新藥開發(fā)、生命科學(xué)計(jì)算、災(zāi)害預(yù)測、氣象預(yù)測、綠色能源系統(tǒng)實(shí)用、宇宙演化分析等9項(xiàng)重要的社會和科學(xué)問題。

“后京”的開發(fā)分為4個(gè)方面：架構(gòu)開發(fā)、協(xié)同設(shè)計(jì)推進(jìn)、系統(tǒng)軟件開發(fā)、應(yīng)用開發(fā)，AICS為此設(shè)立了4個(gè)專職研發(fā)團(tuán)隊(duì)。從預(yù)定的計(jì)劃來看，“后京”的研發(fā)將在2018年完成制造并開始量產(chǎn)，2019年進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整，2020年投入運(yùn)行。不過，2016年9月在美國奧斯汀舉行的HPC用戶論壇上，該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人—— RIKEN的石川裕表示，正式運(yùn)行的時(shí)間可能會延后 1～2年，但并未說明延后的原因。有報(bào)道稱，可能是由于半導(dǎo)體設(shè)計(jì)問題導(dǎo)致的 CMOS制造技術(shù)尚不成熟，或者是芯片開發(fā)的時(shí)間比預(yù)期要長。

2.4 法國

法國的新一代超級計(jì)算機(jī)研發(fā)主要是通過國立科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)的合作開展，部分研發(fā)項(xiàng)目如下。

法國布爾公司（Bull）于 2014年11月公布其百億億次計(jì)算的研發(fā)計(jì)劃，在提高處理器運(yùn)算速度和數(shù)據(jù)處理能力的同時(shí)，開發(fā)超快的互聯(lián)技術(shù)和更好的冷卻技術(shù)，提高能效，并從根本上重新設(shè)計(jì)軟件。該計(jì)劃擬開發(fā)一臺開放式、高度模塊化并具有最頂級互聯(lián)能力的百億億次超級計(jì)算機(jī)SEQUANA及其配套的軟件棧，以及一系列具有超高內(nèi)存性能，支持內(nèi)存數(shù)據(jù)庫、預(yù)處理、后處理和可視化等操作的服務(wù)器。

2015年 7月，法國源訊公司（Atos）與法國新能源與原子能委員會（CEA）簽訂合同，約定于2020年向CEA提供百億億次超級計(jì)算機(jī)“Tera1000”。系統(tǒng)的第一部分組件已在2015年4月交付，原型系統(tǒng)也在2017年建成并投入運(yùn)行，其理論峰值達(dá)到9.3千萬億次/秒、實(shí)測峰值達(dá) 4.9千萬億次/秒（2017年11月）。CEA軍事應(yīng)用科為其開發(fā)了一套生態(tài)系統(tǒng)，使其能夠基于Atos的高性能計(jì)算技術(shù)提供具有競爭力的、耐用的、符合自身需求的超級計(jì)算能力。

2015年8月，IBM和法國國家大型計(jì)算中心（GENCI）宣布將開展一項(xiàng)合作，充分利用Open-POWER聯(lián)盟帶來的創(chuàng)新技術(shù)，以及IBM基于Open-POWER生態(tài)系統(tǒng)開發(fā)的最先進(jìn)HPC技術(shù)，加快邁向百億億次計(jì)算的步伐。該合作得到 POWER加速設(shè)計(jì)中心的支持，主要致力于為超算系統(tǒng)編寫復(fù)雜的科學(xué)應(yīng)用，這些系統(tǒng)的運(yùn)算速度有望超越10億億次級并邁向百億億次級。此項(xiàng)合作將多點(diǎn)接口技術(shù)和共享存儲并行編程技術(shù)作為共享內(nèi)存多處理器編程的第一步，致力于理解編程模型的進(jìn)化。由于系統(tǒng)邁向百億億次的過程中可能出現(xiàn)潛在變化，此項(xiàng)合作也將考察多種應(yīng)用程序接口。

3 高性能計(jì)算面臨的挑戰(zhàn)與趨勢

3.1 計(jì)算性能的提升

2015年10月，美國計(jì)算社區(qū)聯(lián)盟（CCC）在《下一代計(jì)算的機(jī)遇與挑戰(zhàn)》報(bào)告中指出，目前氣候建模與仿真等超算應(yīng)用的精度受限于計(jì)算能力。各國都在大力研發(fā)下一代的百億億次計(jì)算，但科研界擔(dān)憂超算應(yīng)用是否能跟上百億億次計(jì)算硬件的發(fā)展步伐，一個(gè)主要的困難就是沒有人確切地知道未來的百億億次計(jì)算架構(gòu)。多位科學(xué)家認(rèn)為，超算應(yīng)用面臨著正式建模、靜態(tài)分析與優(yōu)化、運(yùn)行時(shí)分析與優(yōu)化、自主計(jì)算4大關(guān)鍵挑戰(zhàn)，并建議基于百億億次系統(tǒng)目前的假設(shè)和可用的數(shù)據(jù)，采取逐步改進(jìn)的方式將現(xiàn)有超算應(yīng)用移植到未來的百億億次計(jì)算系統(tǒng)上。

3.2 能耗的降低

隨著高性能計(jì)算機(jī)的速度日益提升，能耗成為一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵問題。各國目前制定的百億億次計(jì)算規(guī)劃基本將系統(tǒng)功耗目標(biāo)設(shè)定為20 MW。但從目前各方面的技術(shù)水平來看，要在2020年左右實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)仍存在相當(dāng)大的困難。目前最“綠色”系統(tǒng)為日本理化所研制的 Shoubu system B（2017年 11月 Green500排名第 1），其能效為17 GFlops/w。由此推算，百億億次計(jì)算系統(tǒng)的功耗將達(dá)到58.8 MW，距離既定的能效指標(biāo)尚有近3倍的差距。

2015年4月，在美國NSF與半導(dǎo)體研究聯(lián)盟（SRC）聯(lián)合舉行的高能效計(jì)算研討會上，與會專家展望了高能效計(jì)算研究的機(jī)遇。例如，相變的控制對研發(fā)能在極低壓下工作的計(jì)算設(shè)備而言是一條潛在的途徑，傳導(dǎo)則是其他有前景的低功率開關(guān)機(jī)制之一。在儲能線路中部署絕熱開關(guān)也是改善能效的一條途徑。此外，需要更多的關(guān)注更高級的架構(gòu)。例如，磁滯設(shè)備具備非易失性邏輯與存儲功能，可以改善現(xiàn)有架構(gòu)的性能；線性與非線性光學(xué)設(shè)備和緊湊型光發(fā)射器近年來在小型化與能效改善方面都獲得了巨大進(jìn)步。其他架構(gòu)研究領(lǐng)域也可能利用新興的設(shè)備理念來大幅提升計(jì)算能效。相關(guān)研究主題包括：異構(gòu)系統(tǒng)的架構(gòu)、最大程度減少數(shù)據(jù)移動的架構(gòu)、神經(jīng)形態(tài)架構(gòu)、新的隨機(jī)計(jì)算方案、近似計(jì)算、認(rèn)知計(jì)算等。

3.3 軟件與算法的開發(fā)

GPU已經(jīng)大幅提高了計(jì)算能力，但對新軟件和新算法的需求仍然迫切，一些重要問題包括：隨著晶片上集成的晶體管數(shù)量急劇增加，摩爾定律可能失效的推測將促使計(jì)算架構(gòu)發(fā)生重要變化，這就需要新的軟件和算法能來幫助新的計(jì)算架構(gòu)發(fā)揮最大效用；放寬對計(jì)算精確度“近乎完美”的要求可能開創(chuàng)一個(gè)“近似計(jì)算”的新時(shí)代，從而更好地解決系統(tǒng)故障。任何對網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的投資都需要考慮到軟件的更新和重新開發(fā)，算法、數(shù)值方法、理論模型的創(chuàng)新對未來計(jì)算能力的提升可能發(fā)揮重要作用。另一方面，開展應(yīng)用數(shù)學(xué)研究對促進(jìn)軟件與算法開發(fā)也非常重要。只有在應(yīng)用數(shù)學(xué)方面取得進(jìn)展才能開發(fā)出高性能應(yīng)用程序，從而應(yīng)對百億億次計(jì)算面臨的大量科學(xué)與技術(shù)挑戰(zhàn)。美國著名計(jì)算科學(xué)家杰克·唐加拉（Jack Dongarra）建議美國能源部“先進(jìn)科學(xué)計(jì)算研究”項(xiàng)目（ASCR）優(yōu)先開展針對百億億次計(jì)算的應(yīng)用數(shù)學(xué)研究，以幫助DOE保持在先進(jìn)計(jì)算方面的優(yōu)勢，包括：對新模型、抽象化、算法的研發(fā)投入大量經(jīng)費(fèi)，以充分利用百億億次計(jì)算的巨大性能；利用應(yīng)用數(shù)學(xué)方法尋找平衡點(diǎn)，以準(zhǔn)確區(qū)分各項(xiàng)研究是否需要百億億次計(jì)算支持。

3.4 硬件架構(gòu)的發(fā)展

硬件架構(gòu)將更趨多樣化，分別以提升運(yùn)算性能、能效和數(shù)據(jù)密集型處理能力為目標(biāo)的各種架構(gòu)會陸續(xù)出現(xiàn)。處理器由多核向眾核發(fā)展，2016年6月的TOP500中96套系統(tǒng)使用了眾核加速器技術(shù)，其中86套使用了協(xié)處理器，另外10套使用了最新的 Xeon Phi“Knights Landing”處理器作為主要的處理單元，它們是TOP500上首批將眾核技術(shù)作為獨(dú)立處理器使用的系統(tǒng)。就互連技術(shù)而言，206套系統(tǒng)采用了千兆以太網(wǎng)技術(shù)，187套系統(tǒng)采用了InfiniBand技術(shù)，28套系統(tǒng)采用了IntelOmni-Path技術(shù)，該技術(shù)在2016年6月的TOP500榜單上首次出現(xiàn)。

此外，后摩爾時(shí)代的新型計(jì)算架構(gòu)是重要研究熱點(diǎn)?！?015國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖》認(rèn)為，在經(jīng)歷50多年的不斷小型化發(fā)展之后，晶體管體積將在2021年停止縮減，屆時(shí)摩爾定律將失效，該路線圖自2016年起也已停止更新。2016年3月，英特爾宣布延長處理器研發(fā)周期，將傳統(tǒng)的研發(fā)周期從“制程—架構(gòu)”的兩步戰(zhàn)略變?yōu)椤爸瞥獭軜?gòu)—優(yōu)化”的三步走戰(zhàn)略，業(yè)內(nèi)認(rèn)為這一策略的轉(zhuǎn)變意味著摩爾定律正式終結(jié)。

隨著摩爾定律的終結(jié)，各國政府、企業(yè)和學(xué)術(shù)界都在加大力度研發(fā)新一代的計(jì)算架構(gòu)。例如，IBM公司在2014年7月宣布，將在未來5年投資 30億美元推動計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，其中就涉及面向后硅時(shí)代的量子計(jì)算和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算研發(fā)；2015年1月，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室提出了2015—2030年在超級計(jì)算領(lǐng)域的研發(fā)目標(biāo)，長期目標(biāo)之一就是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算、神經(jīng)形態(tài)計(jì)算和生物計(jì)算等新型計(jì)算模式與硬件的集成；美國高級情報(bào)研究計(jì)劃局正在致力于超導(dǎo)超級計(jì)算（包括低溫存儲）的研究；此外，美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室正在開展一項(xiàng)名為“超越摩爾定律計(jì)算”的計(jì)劃，以開發(fā)后摩爾時(shí)代的計(jì)算技術(shù)。

4 我國高性能計(jì)算戰(zhàn)略部署、進(jìn)展與提升空間

4.1 我國百億億次計(jì)算戰(zhàn)略部署

為進(jìn)一步在與各國的高性能計(jì)算競爭中取得先機(jī)，我國將百億億次（E級）超級計(jì)算機(jī)及相關(guān)技術(shù)的研究寫入了國家“十三五”規(guī)劃，希望在2020年左右實(shí)現(xiàn)這一宏偉研究計(jì)劃。在2016年啟動的國家“十三五”高性能計(jì)算專項(xiàng)課題中，國防科技大學(xué)、中科曙光和江南計(jì)算技術(shù)研究所同時(shí)獲批開展 E級超級計(jì)算原型系統(tǒng)的研制工作，形成了“三頭并進(jìn)”的局面，擬通過賽馬機(jī)制打造我國自主的E級超算系統(tǒng)。

該專項(xiàng)總體目標(biāo)是：在 E級計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，新型處理器結(jié)構(gòu)、高速互連網(wǎng)絡(luò)、整機(jī)基礎(chǔ)架構(gòu)、軟件環(huán)境、面向應(yīng)用的協(xié)同設(shè)計(jì)、大規(guī)模系統(tǒng)管控與容錯(cuò)等核心技術(shù)方面取得突破，依托自主可控技術(shù)，研制適應(yīng)應(yīng)用需求的 E級高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，使我國高性能計(jì)算機(jī)的性能在“十三五”末期保持世界領(lǐng)先水平。

4.2 我國高性能計(jì)算研制與應(yīng)用進(jìn)展及提升空間

4.2.1 研制能力顯著增強(qiáng)2016年11月公布的第48期全球超級計(jì)算機(jī)500強(qiáng)（TOP500）榜單上，使用中國自主芯片制造的“神威·太湖之光”以較大的運(yùn)算速度優(yōu)勢輕松蟬聯(lián)冠軍，“天河二號”排名第2。中國超算總體表現(xiàn)出色，以171臺上榜數(shù)量與美國并列第 1。這見證了中國和美國并駕齊驅(qū)的超算優(yōu)勢，也反映了中國超算的快速崛起。

在一年后（2017年11月）發(fā)布的第50期TOP500榜單中，我國“神威·太湖之光”和“天河二號”依舊占據(jù)前兩名，其中“神威·太湖之光”的核心部件全部為國產(chǎn)，凸顯中國在超算領(lǐng)域的自主研發(fā)能力。在入圍TOP500的系統(tǒng)數(shù)量方面，我國首次以顯著優(yōu)勢領(lǐng)先美國（202套：143套），呈現(xiàn)出全面爆發(fā)趨勢。在計(jì)算資源總量上，我國占到榜單上所有HPC系統(tǒng)總和的35.4%，高于美國的29.6%。

值得注意的是，我國HPC的研制能力已顯著增強(qiáng)，除了國防科技大學(xué)、江南計(jì)算技術(shù)研究所先后研制出最快超算系統(tǒng)外，在第 50期Top500榜單中，聯(lián)想、浪潮、曙光等3家中國廠商所研制的 HPC數(shù)6382.024量依次排名第 2、第 3和第5，與美國惠普（第1）和Cray（第4）共同構(gòu)成全球第一梯隊(duì)。另一方面，美國在 TOP500榜單上的成績已跌至歷史最差。但從HPC研制企業(yè)與核心技術(shù)看，美國依舊牢牢占據(jù)優(yōu)勢。最新TOP500榜單上有471套HPC使用了英特爾的芯片，比6個(gè)月前增加了7臺，另有14臺采用IBM的芯片。

4.2.2 多領(lǐng)域應(yīng)用獲得豐碩成果隨著我國高性能計(jì)算的研制不斷取得進(jìn)步以及相關(guān)學(xué)科快速發(fā)展，我國高性能計(jì)算的應(yīng)用在近年取得了豐碩成果，有較大國際影響的包括以下。

（1）千萬核可擴(kuò)展大氣動力學(xué)全隱式模擬

在 2016年 11月美國鹽湖城舉行的2016年全球超級計(jì)算大會上，中國憑借“千萬核可擴(kuò)展大氣動力學(xué)全隱式模擬”研究成果一舉獲得“戈登·貝爾”獎(jiǎng)。該研究由“神威·太湖之光”提供運(yùn)算支撐，可有效開展全球公里級氣象預(yù)報(bào)，與國際主流的大氣動力模式相比，計(jì)算速度提升近10倍，與2015年獲得戈登·貝爾獎(jiǎng)的項(xiàng)目相比，計(jì)算效率提升10倍以上。這是我國超算應(yīng)用團(tuán)隊(duì)首次獲得有著“超算應(yīng)用諾獎(jiǎng)”美譽(yù)的“戈登·貝爾”獎(jiǎng)，標(biāo)志著我國科研人員正將超級計(jì)算的速度優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為應(yīng)用優(yōu)勢。

（2）鈦合金微結(jié)構(gòu)演化相場模擬

鈦合金制備工藝復(fù)雜，微觀組織形成機(jī)制和規(guī)律難以通過實(shí)驗(yàn)獲得，常借助于軟件模擬。相場法能夠模擬微觀組織的演化過程，廣泛應(yīng)用于新材料的設(shè)計(jì)。基于“神威·太湖之光”，中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心自主開發(fā)了基于可擴(kuò)展緊致指數(shù)時(shí)間差分算法庫的相場模擬軟件 ScETDPF，支持計(jì)算材料科學(xué)、計(jì)算物理、計(jì)算生命科學(xué)等學(xué)科的科研模擬。

該研究由網(wǎng)絡(luò)中心和中國科學(xué)院金屬研究所合作開展，首次實(shí)現(xiàn)了國際最大規(guī)模的鈦合金微結(jié)構(gòu)粗化相場模擬，顯著加快了我國新型鈦合金的設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化。計(jì)算擴(kuò)展到800萬核，實(shí)現(xiàn)整機(jī)規(guī)模計(jì)算，最大性能達(dá)到 39.678 PFlops。該應(yīng)用也入圍2016年“戈登·貝爾”獎(jiǎng)提名。

（3）高分辨率海浪數(shù)值模擬

對于海洋模式模擬而言，分辨率的提高會帶來計(jì)算量的大幅提升。如果水平分辨率提高10倍，模式的計(jì)算量將增加數(shù)百乃至上千倍，是未來 E級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的驅(qū)動應(yīng)用。

國家海洋局第一海洋研究所、青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室與清華大學(xué)合作，在“神威·太湖之光”超級計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了（1/60）。高分辨率的全球海洋模式，通過核加速、負(fù)載均衡、通信重疊和指令流水等優(yōu)化手段，模式成功擴(kuò)展到了8，519，680核數(shù)，達(dá)到最高30.07 PFlops的峰值性能，獲得了優(yōu)異的擴(kuò)展性與并行效率。該應(yīng)用同樣入圍2016年“戈登·貝爾”獎(jiǎng)提名。

（4）非線性大地震模擬

基于“神威·太湖之光”的強(qiáng)大計(jì)算能力，由清華大學(xué)、國家超級計(jì)算無錫中心、山東大學(xué)、南方科技大學(xué)、中國科技大學(xué)、國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)成功設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高可擴(kuò)展性的非線性大地震模擬工具。該工具充分發(fā)揮國產(chǎn)處理器在存儲、計(jì)算、通信資源等方面的優(yōu)勢，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)18.9 PFlops的非線性地震模擬，是國際上首次實(shí)現(xiàn)如此大規(guī)模下的高分辨率、高頻率、非線性塑性地震模擬，對未來的地震災(zāi)害救援演習(xí)、預(yù)防預(yù)測等研究具有重要的借鑒意義?！胺蔷€性大地震模擬”贏得了2017年“戈登·貝爾”獎(jiǎng)。

4.3 我國高性能計(jì)算的提升空間及建議

我國高性能計(jì)算近年取得了巨大發(fā)展，既反映了國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和創(chuàng)新能力的提升，也說明當(dāng)前我國的研發(fā)與生產(chǎn)需求都十分強(qiáng)勁，尤其是互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域?qū)τ?jì)算的旺盛需求大力拉動了我國高性能計(jì)算的發(fā)展。但是，一些核心技術(shù)仍未實(shí)現(xiàn)突破，加之建設(shè)、運(yùn)營、市場化經(jīng)驗(yàn)有限，導(dǎo)致實(shí)際發(fā)展與建設(shè)目標(biāo)存在一定差距，依然存在較多提升空間。

4.3.1 構(gòu)建“大”、“小”高性能計(jì)算創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)我國高性能計(jì)算的發(fā)展到了關(guān)鍵時(shí)期，必須要在此階段建立起良好的生態(tài)系統(tǒng)，方可實(shí)現(xiàn)全面領(lǐng)先和持續(xù)性進(jìn)步。從狹義上說，“小”的創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)是要面向處理器研發(fā)系統(tǒng)軟件、工具軟件和應(yīng)用軟件，讓處理器得到廣泛應(yīng)用。而“大”的創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)是指產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界和應(yīng)用部門之間的協(xié)調(diào)，即把系統(tǒng)研發(fā)、應(yīng)用研發(fā)和整個(gè)計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施的研發(fā)整合起來，真正形成具有世界競爭力的科學(xué)產(chǎn)業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施。需要通過在教育、研究和產(chǎn)業(yè)各個(gè)領(lǐng)域更好地開展合作來建設(shè)這更大的創(chuàng)新生態(tài)環(huán)境。

4.3.2 改善科研院所高性能計(jì)算設(shè)施建設(shè)盡管我國入圍TOP500榜單的高性能計(jì)算機(jī)數(shù)量已大幅超越美國，但其中大部分都排在榜單的后半部分，并且大多被部署在互聯(lián)網(wǎng)公司、云服務(wù)提供商、電信運(yùn)營商、電力公司和政府部門，用于尖端研發(fā)的寥寥無幾。與此相對應(yīng)的，美國大多數(shù)高性能計(jì)算機(jī)被部署在國家實(shí)驗(yàn)室、大學(xué)以及研究機(jī)構(gòu)中，從事最尖端和前沿的研究。中國的大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)需要高性能計(jì)算設(shè)施，應(yīng)當(dāng)加大在這方面的投資。

4.3.3 突破軟件瓶頸，釋放高性能計(jì)算設(shè)施價(jià)值高性能計(jì)算機(jī)的壽命通常只有5～7年，并且運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用很高，因此必須快速研制出相關(guān)應(yīng)用程序，才能最大程度發(fā)揮其價(jià)值。我國高性能計(jì)算長期重“硬”輕“軟”，導(dǎo)致基礎(chǔ)并行環(huán)境、基礎(chǔ)算法、高性能數(shù)學(xué)庫、操作系統(tǒng)等基礎(chǔ)與應(yīng)用軟件的發(fā)展落后于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展，進(jìn)而導(dǎo)致我國高性能計(jì)算設(shè)施難以充分發(fā)揮作用。目前，我國許多研究機(jī)構(gòu)、高等院校大量使用國外商業(yè)軟件、開源軟件，并導(dǎo)致諸多困難：一些軟件甚至只是目標(biāo)程序，很難對物理模型、計(jì)算格式、算法進(jìn)行調(diào)整、改進(jìn)；計(jì)算規(guī)模受限制；計(jì)算精度、分辨率不高；關(guān)鍵應(yīng)用受到限制。

要使高性能計(jì)算在實(shí)際應(yīng)用中真正成為科技創(chuàng)新的重要手段，就必須堅(jiān)持對基礎(chǔ)與應(yīng)用軟件和高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的統(tǒng)籌規(guī)劃、均衡投資、協(xié)調(diào)發(fā)展。建議成立若干國家并行軟件工程中心，統(tǒng)籌、協(xié)調(diào)全國各行業(yè)并行軟件的研究、開發(fā)、推廣和應(yīng)用，同時(shí)采用自研、開源、共享等多種手段，解決國產(chǎn)軟件缺乏和市場占有率低的問題。

4.3.4 大力培養(yǎng)高素質(zhì)跨學(xué)科人才高性能計(jì)算是一門典型的交叉學(xué)科，其內(nèi)容涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、行業(yè)應(yīng)用知識。我國高性能計(jì)算的研發(fā)人才已具備相當(dāng)實(shí)力，但應(yīng)用人才相對短缺，特別是缺乏應(yīng)用軟件和系統(tǒng)軟件方面的專業(yè)人才。主要原因在于培養(yǎng)相關(guān)人才的門檻高、專業(yè)性強(qiáng)，學(xué)科交叉協(xié)作還未形成風(fēng)氣，缺乏鼓勵(lì)學(xué)科交叉合作的具體機(jī)制和組織保障。

因此，培養(yǎng)高素質(zhì)跨學(xué)科人才顯得尤為迫切。應(yīng)建立長期的人才培養(yǎng)戰(zhàn)略，通過科普讓更多年輕人接觸、了解高性能計(jì)算，同時(shí)擴(kuò)大設(shè)置“高性能計(jì)算理論+多學(xué)科應(yīng)用課程”的高校范圍，加大對“懂計(jì)算懂專業(yè)”的復(fù)合型人才培養(yǎng)力度，大力推動該領(lǐng)域多學(xué)科的交叉融合。要加強(qiáng)課程建設(shè)、師資隊(duì)伍建設(shè)，還要拓寬人才培養(yǎng)渠道、結(jié)合實(shí)踐培訓(xùn)用戶來解決人才不足問題。?