發(fā)展高性能計算需要思考的幾個戰(zhàn)略性問題

文 李國杰

專家簡介：

李國杰，1943年5月生于湖南邵陽，計算機專家。中國工程院院士，發(fā)展中國家科學(xué)院院士?，F(xiàn)任中科院計算所首席科學(xué)家。主要從事計算機體系結(jié)構(gòu)、并行算法、人工智能、計算機網(wǎng)絡(luò)、信息技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略等方面的研究，主持研制成功曙光一號并行計算機、曙光1000大規(guī)模并行機和曙光2000/3000超級服務(wù)器，領(lǐng)導(dǎo)計算所研制成功龍芯CPU，為發(fā)展我國高性能計算機產(chǎn)業(yè)做出了突出貢獻。

高性能計算機是我國科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的標志性成果，已成為繼高鐵之后的又一張“中國名片”。一個發(fā)展中國家在尖端計算技術(shù)上能迅速走到世界前列，這是一件了不起的事情。對我國高性能計算機的現(xiàn)狀，有人極力贊美——“中國超級計算機技術(shù)實力碾壓美國”的醒目標題曾在網(wǎng)上刷屏；也有人表示疑慮，認為國產(chǎn)的超級計算機是“用航母運載沙丁魚”。對發(fā)展高性能計算的目標和策略選擇，學(xué)術(shù)界也有不同的看法。正確的戰(zhàn)略決策來源于對國情和技術(shù)發(fā)展趨勢實事求是的分析，而不是玩弄技術(shù)新名詞的“紙上談兵”。習(xí)近平總書記指出：“堅持實事求是，最基礎(chǔ)的工作在于搞清楚‘實事’，就是了解實際、掌握實情。這就要求我們必須不斷對實際情況做深入系統(tǒng)而不是粗枝大葉的調(diào)查研究，使思想、行動、決策符合客觀實際?！痹谂实怯嬎銠C領(lǐng)域“珠穆朗瑪峰”的關(guān)鍵時刻，我們需要遵循習(xí)近平總書記的指示，對我國高性能計算機的這件“實事”做深入系統(tǒng)的調(diào)查研究，做出符合客觀實際的決策。

在討論與高性能計算有關(guān)的戰(zhàn)略問題之前，先要明確高性能計算機究竟是指什么。高性能計算機并沒有嚴格的定義，人們在不同的場合講的“高性能計算機”的含義可能也不一樣。國際上有一個為世界上最高性能的500臺計算機排名的組織，最近一次排名是2019年6月，第500名的峰值性能是2.1Pflops（2100萬億次浮點計算每秒）。在這個組織的網(wǎng)站上，高性能計算機（High Performance Computer，HPC）和超級計算機（Super Computer）是混用的，不加區(qū)分地當成一種計算機類型。也就是說，目前他們把超級計算機（高性能計算機）圈定在Pflops級（千萬億次浮點計算每秒）計算機水平。本文討論的重點也是Pflops級以上的超級計算機。企業(yè)在銷售計算機時，高性能計算機是指區(qū)別于個人電腦（PC機）與低檔服務(wù)器的計算機，往往認為價格在10萬元人民幣以上的就是高性能計算機，而把超級計算機看作是最高檔的幾百臺高性能計算機。

請注意，本文討論“高性能計算”，包括硬件、軟件、算法、應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境等，不僅僅限于構(gòu)建“高性能計算機”字面之差反映不同的戰(zhàn)略思維。高性能計算本身就是國家的戰(zhàn)略重器，涉及的戰(zhàn)略性問題很多，由于篇幅有限，下面列出幾個社會各界較為關(guān)心的戰(zhàn)略性問題，稍做說明，供讀者參考。

發(fā)展高性能計算的目的究竟是什么？

高性能計算可以應(yīng)用于核模擬、密碼破譯、氣候模擬、宇宙探索、基因研究、災(zāi)害預(yù)報、工業(yè)設(shè)計、新藥研制、材料研究、動漫渲染等眾多領(lǐng)域，對國防、國民經(jīng)濟建設(shè)和民生福祉都有不可替代的重大作用，發(fā)展高性能計算就是要讓這巨大的作用發(fā)揮出來。同時，高性能計算也是中美大國博弈的重要領(lǐng)域，每一次較量的勝利都會給國人極大的激勵，有力增強了民族自豪感和凝聚力。因此，發(fā)展高性能計算意義重大。

我國發(fā)展高性能計算需要正確處理世界排名與實際效用這兩者的關(guān)系。其實，我國與美國在高性能計算領(lǐng)域的博弈，主要是因為該領(lǐng)域研究對國防、經(jīng)濟和民生的實際效益，而不是某一次排名是否第一。只要認清楚這一點，兩者就統(tǒng)一了。如果不重視實際應(yīng)用績效，而只把排名第一作為“政治正確”的標志，可能會產(chǎn)生誤導(dǎo)。

如何全面部署計算機科研與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展？

如果把高性能計算機理解成超級計算機，其在整個計算機產(chǎn)業(yè)中占比并不大。超級計算機主要是用來解決其他計算機解決不了的挑戰(zhàn)性問題，采用幾萬個甚至百萬個以上的處理器并行協(xié)同解決一個大問題。在實際應(yīng)用中，更多的場合是需要同時響應(yīng)大量的任務(wù)請求，即不是要算得快而是要算得多。這一類應(yīng)用需要高通量計算機，主要由云計算中心和大數(shù)據(jù)中心部署。目前銀行等金融行業(yè)還在大量采購美國IBM的主機系統(tǒng)（Mamframe），他們買的主要不是計算速度，而是可靠性和軟件的兼容性，業(yè)界稱為高可靠或高可用系統(tǒng)。我國的計算機產(chǎn)業(yè)要從中低端向高端發(fā)展，因此我們的任務(wù)不僅僅是發(fā)展超級計算機，而且包含發(fā)展高端計算機。

美國政府2015年發(fā)布的“國家戰(zhàn)略性計算計劃”（NSCI）就是一個較全面的頂層規(guī)劃，而2016年啟動的E級計算機研制計劃（ECP）只是美國能源部對NSCI計劃的響應(yīng)。我國國家重點研發(fā)計劃中有“E級計算機關(guān)鍵技術(shù)驗證系統(tǒng)”重點專項，但沒有包括其他高端計算級的頂層規(guī)劃。在我國高通量計算機至今沒有重大項目支持，幾大網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商需要的云計算和數(shù)據(jù)中心設(shè)備基本上是自行設(shè)計，并委托其他公司組裝。如果長期缺乏全國科技力量的支持，我國網(wǎng)絡(luò)服務(wù)企業(yè)將難以形成全球競爭優(yōu)勢。

我國應(yīng)重點發(fā)展什么類型的高性能計算機？

高性能計算機有兩種基本類型：一是能力（capability）型，強調(diào)解決單一復(fù)雜問題的最高計算速度，盡量縮短求解一個最大最難問題的時間；二是容量（capacity）型，強調(diào)同時處理多個大任務(wù)，每一個任務(wù)只用到計算機的一部分能力。全球TOP500超級計算機大多數(shù)屬于容量型?？茖W(xué)研究對計算能力的需求是無止境的，E級（1018）計算機做出來后，還會提出Z級（1021）計算的需求。研制能力型超級計算機必須突破現(xiàn)有計算機的技術(shù)瓶頸，以引領(lǐng)計算機技術(shù)的發(fā)展，因此。美國的ECP計劃的目標是研制能力型計算機。

世界上最高水平的超級計算機，主要用于科學(xué)研究，而科學(xué)計算在高性能計算機應(yīng)用中占的比例已不到10%。近幾年大數(shù)據(jù)分析和機器學(xué)習(xí)等人工智能應(yīng)用已成為高性能計算機的主要負載，2017年智能應(yīng)用在中國高性能計算機應(yīng)用中的占比已提升到56%，估計這個比例今后還將繼續(xù)擴大。美國、日本等國紛紛將正在研制的超級計算機稱為智能計算機。

長期以來，評測超級計算機的性能都采用Lmpack測試程序，這是一個求解線性方程組的程序。這個程序的優(yōu)點是可擴展性特別好，現(xiàn)在還沒找到比它擴展性更好的測試程序。而且Lmpack是CPU密集應(yīng)用的程序，可以測出幾乎滿負荷、滿功耗下的計算機浮點計算性能。從這個意義上講，Linpack是測試超級計算機可靠性和穩(wěn)定性的理想程序。但是，求解線性方程組終究只是一種應(yīng)用，全面衡量超級計算機的性能需要更合適的基準（benchmark）測試程序，可惜現(xiàn)在還沒有。由于功耗的限制，發(fā)展通用超級計算機已遇到極大的困難，近年來領(lǐng)域?qū)Ｓ贸売嬎銠C成為熱門研究方向，Linpack顯然不適合作為領(lǐng)域?qū)Ｓ糜嬎銠C的測試標準。

我國應(yīng)重點發(fā)展什么類型的高性能計算機，這不是一個學(xué)術(shù)問題，而是一個科技需求問題，只有通過對我國國防、經(jīng)濟、科研和民生的潛在需求的認真調(diào)研才能回答。但有一點可以肯定，容量性超級計算機、智能計算機、領(lǐng)域?qū)Ｓ贸売嬎銠C與能力型超級計算機一樣重要，在做科技決策時應(yīng)統(tǒng)籌兼顧。把研制E級高性能計算機的全部人力物力都投在爭取Lmpack指標世界第一可能是不明智的決策。

中國到底有沒有對高性能計算的迫切需求，現(xiàn)在的應(yīng)用水平怎么樣？

從理論上講，我國對超級計算機肯定有強烈需求。但從實際上講，這一需求還與一個國家的科研水平、經(jīng)濟水平有關(guān)。2018年，中國氣象局安裝了派—曙光超級計算機，峰值計算性能是8Pflops，計算能力已躍居氣象領(lǐng)域世界第3位。眾所周知，氣象領(lǐng)域是使用超算的大戶，目前能正常發(fā)揮作用的超級計算機離E級計算還有兩個數(shù)量級的差距。氣象部門要把E級超級計算機用起來，必須在基礎(chǔ)研究、算法、軟件和人才培養(yǎng)上做出巨大的努力。有人說，先有E級機，才會有E級計算的需求。這是對的，我們需要在E級計算機上培養(yǎng)E級用戶。但一臺超級計算機的平均有效壽命只有5年，5年內(nèi)哪些應(yīng)用領(lǐng)域的用戶可以培養(yǎng)出來也需要通過調(diào)研做出判斷。

我國現(xiàn)有的超算中心究竟應(yīng)用效益高不高是一個頗有爭議的問題。有些超算中心宣稱效益非常好，支持了上千項國家重大科技項目，產(chǎn)生了近百億元經(jīng)濟效益。而媒體上也有文章說超算中心核心應(yīng)用拓展不夠，沒有產(chǎn)生預(yù)期功效。造成這種局面的原因是缺乏第三方的公正評估。國家應(yīng)組織有公信力的評測機構(gòu)或?qū)W會對全國的超算中心做一次評估，了解清楚超算中心究竟完成了多少事關(guān)國家重大戰(zhàn)略需求的計算任務(wù)？借助超算做出了哪些重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)？對經(jīng)濟發(fā)展做出了哪些不可替代的貢獻？P級（1015）以上的計算任務(wù)究竟占多大比例？只有按照習(xí)近平總書記講的搞清楚“實事”，掌握了實情，才能對我國超算的實際應(yīng)用水平做出正確判斷。

發(fā)展高性能計算要強調(diào)應(yīng)用牽引還是技術(shù)驅(qū)動？

人們常說，發(fā)展科技既要需求牽引，又要技術(shù)驅(qū)動。但在實際過程中，往往有所偏重。比較而言，美國發(fā)展超級計算機主要是應(yīng)用牽引，而我國側(cè)重于技術(shù)驅(qū)動。從一個例子可以看出美國應(yīng)用牽引的傾向。美國最近開展的ECP計劃的負責(zé)人PaulMessina是美國阿貢實驗室的計算機應(yīng)用科學(xué)家，ECP計劃則是由阿貢實驗室（超級計算機的應(yīng)用方）主導(dǎo)的科研項目。在Summit計算機交付之前，美國能源部已經(jīng)成立了25個應(yīng)用軟件研發(fā)小組，設(shè)計能夠利用E級計算機的軟件。ECP計劃是否成功的指標不是Linpack性能，而是這25個應(yīng)用性能的“幾何平均值”，這意味著其中任何一個應(yīng)用的性能都不能很差。美國是先有挑戰(zhàn)性應(yīng)用問題，為解決應(yīng)用問題造新的計算機；我國的做法則是先造出世界領(lǐng)先的機器，再來找應(yīng)用。發(fā)展超級計算機一定要國家戰(zhàn)略導(dǎo)向，以及戰(zhàn)略中的挑戰(zhàn)問題導(dǎo)向。在研制新的超級計算機之前，應(yīng)用部門一定要先把亟需解決的挑戰(zhàn)問題明明白白提出來，用可考核的應(yīng)用性能指標來評價正在研制的計算機。在應(yīng)用牽引上我們應(yīng)虛心地向美國同行學(xué)習(xí)。

強調(diào)應(yīng)用牽引不是說技術(shù)驅(qū)動不重要。由于摩爾定律臨近極限，學(xué)術(shù)界普遍認為現(xiàn)在是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的黃金時代，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的困難超出人們的預(yù)期。

在ECP計劃剛啟動時，PaulMessina強調(diào)E級計算機研制要走所謂高架軌道，兩年以后描述E級計算的用語已經(jīng)從“新型（novel）”轉(zhuǎn)向比較乏味的“先進（advanced）”，Summit計算機的重大技術(shù)突破也不多。對于E級計算機和以后更高性能的超級計算機研制者，能耗、訪存、通信、可靠性、應(yīng)用性能這幾道“高墻”必須越過。沒有關(guān)鍵技術(shù)的重大突破，超級計算機不可能再上一個大臺階。中國計算機學(xué)者應(yīng)當在這一征程中做出載入史冊的貢獻。國家在安排高性能計算重大科研任務(wù)時，不能只盯住工程任務(wù)，應(yīng)更加重視顛覆性器件（如新型存儲器件、超導(dǎo)、量子、光子器件等，以及幾種器件的跨界協(xié)同設(shè)計）和變革性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究。降低功耗的技術(shù)突破要擺在最優(yōu)先的位置。

如何建立發(fā)展高性能計算的生態(tài)環(huán)境？

所謂科研和產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境是指圍繞著一個目標形成的，從基礎(chǔ)研究、技術(shù)突破、產(chǎn)品研發(fā)到應(yīng)用推廣的協(xié)作共同體，不是簡單的鏈條，而是相互關(guān)聯(lián)的社會網(wǎng)絡(luò)。

對我國高性能計算生態(tài)環(huán)境而言，最薄弱的環(huán)節(jié)是軟件。目前，我國大型科學(xué)計算的應(yīng)用軟件基本上都依靠進口。我國的超算經(jīng)費用于應(yīng)用軟件開發(fā)的還不到10%，美國相應(yīng)的投入資金約為中國的6倍。振興軟件的關(guān)鍵是人才，目前能培養(yǎng)高性能計算軟件人才的大學(xué)很少，因此建議應(yīng)擴大該領(lǐng)域的招生名額。美國參與ECP計劃軟件開發(fā)的大學(xué)并不都是一流大學(xué)，一般的大學(xué)也承擔(dān)了開發(fā)任務(wù)。

我國高性能計算生態(tài)環(huán)境的另一個薄弱環(huán)節(jié)是企業(yè)應(yīng)用。美國公司的超算系統(tǒng)規(guī)模是中國公司的10倍多。例如，汽車行業(yè)的通用、克萊斯勒等公司，每家都有10多個超算系統(tǒng)，英國的BP石油公司也有世界上最大的工業(yè)用超級計算機。我國使用高性能計算機較多的是BAT（百度、阿里巴巴、騰訊）等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)公司，而在制造業(yè)的應(yīng)用則規(guī)模較小。只有企業(yè)較普遍地用上了高性能計算機，才能真正走上高質(zhì)量發(fā)展道路。構(gòu)建高性能計算生態(tài)環(huán)境時，還要重視發(fā)揮骨干企業(yè)的作用。高性能計算機研發(fā)的一次性工程（即非經(jīng)常性工程，NRE）費用很高，只有通過企業(yè)的工業(yè)化設(shè)計，采用標準化組件和Scaledown技術(shù)，才能使小規(guī)模的高性能計算機具有很高的性能價格比，通過批量銷售收回NRE成本，才能使國家科研投入獲得較高的回報。