“性能驱动”转向“需求驱动” 中国引领全球超算技术路线

11月底，科技部高性能计算重点专项在北京、上海、大连、广州等地对多个研究任务进行中期检查。这场为期五年、总计20个重点研究任务的E级超级计算机专项，如今已进程过半。

E级超算（exascale-level supercomputer，每秒百亿亿次）是目前全球公认的下一代超级计算机，中国、美国、日本、欧洲都在启动国家计划、期望在2020-2022年间推出E级超算系统。如果科技部高性能计算重点专项如期完成，中国将率先在2020年推出3套E级超级计算机系统，重新拥有 “全世界最快的计算机”。

过去几年中，中国超算曾经11届登上全球超算TOP 500榜首。2010年，中国超算天河一号二期以每秒2566万亿次计算首次登顶。其后，2013-2017年间，中国的天河二号、神威·太湖之光超级计算机连续5年10届领跑TOP 500。但在2018年6月、11月，IBM的Summit、Sierra超算系统先后超越太湖之光，将第一、第二名收入囊中。

多位接受采访的业内人士告诉21世纪经济报道记者，从目前各国研发进展来看，美国很可能会占据超算榜第一名两年、四届以上的时间，不过超算竞争的焦点已经转移到了下一代的百亿亿次竞争。

中国引领超算路线

全球超算TOP 500榜单自1994年开始统计，但2000年之前，中国鲜有登榜。直至2002年，联想开发出深腾1800高性能计算集群，成为首个进入TOP 500榜单的中国本土超算，当年排名43位。

其后，曙光、浪潮也相继登榜。但很长一段时间内，包括中国在内的全球超算市场几乎被IBM、惠普、Cray等巨头垄断，中国部署的超算系统数量也并未大幅增长。

但2008年之后，中国迎来了转折点。中科院计算所并行软件实验室主任、国家超算济南中心主任张云泉向记者介绍：“当时中国率先尝试了新型的体系架构，而这种体系架构引领了这一代的全球超算的技术路线，中国超算也顺势崛起了。”目前，TOP 500中绝大多数超算都是采用了CPU+GPU异构体系架构，但这种架构最早是在中国开始大规模采用。

2008年，时任中科院过程工程研究所所长、中科院副院长李静海率先使用240块英伟达GPU搭建了第一台代号为Mole-9.7的GPU机群，其后通过与联想、曙光联合研发了GPU机群系统，过程工程研究所在2009年首次实现了单精度千万亿次的超算系统。

其后，天河一号同样采用了CPU+GPU异构融合体系架构，2010年11月，天河一号二期以2566万亿次运算速度震惊了世界。

“英伟达最初就是想在超算领域推广GPU，但美国超算界认为GPU在科学计算领域表现太差，所以没人愿意尝试。”张云泉向记者介绍，“反而中国的大胆尝试，开创、引领了这一体系架构，并把美国超算也带到了这条技术路线上。”目前，排在榜首的Summit同样使用了Power CPU+GPU架构，其中2.8万块GPU提供了90%以上的算力。

其后，超算产业与人工智能碰撞。“超算的排行主要依靠Linkpack测试，系统80%的算力在计算矩阵乘法，而深度学习算法的核心，也是矩阵乘法。”超算产业一举突破了此前的学术、科研、能源、航天、军工等领域，进入到互联网的大数据、人工智能产业。张云泉认为：“现在，超算已经超出了最初的科学计算范畴，而是融合了人工智能、科学计算、大数据的多元计算。”

进入2015年，中国互联网公司开始向TOP 500申报，中国超算系统排名数量激增。2015年11月，中国上榜超算系统达到109套，仅次于美国的199套，比上届增长了近200%。2016年6月，中国上榜168套系统，首次超过美国，后者上榜165个系统。而最新一届的TOP 500中，中国上榜227套系统，是美国的2倍。同期，来自联想、曙光、浪潮的超算系统，也从2015年初的不到30个，增至接近300个。

发展模式转型

不过，快速成长的超算，给中国带来的投资收益却远低于其他国家。根据美国能源部科学办公室持续追踪统计，2018年6月，全球各国在超算领域每1美元的投入，可以产生463美元的收益。在英国、日本，1美元的超算收入可带来高达730、1200美元的回报，在美国则为373美元，但在中国，这一回报却只有8.5美元，不及全球平均值的2%。

“中国在超算上，走的是政府引领路线，打造的超算系统性能遥遥领先于科研、产业需求。”张云泉介绍，“每个国家最初都是这样一个阶段，只不过国外早就走过了这一阶段，他们现在都是根据科研需求制定超算路线。”

一直以来，中国的超算水平均超过了应用需求。但2016年以来，中国共有6项超算应用入围戈登贝尔奖提名，这是高性能计算应用领域的最高奖项。2016、2017年，基于太湖之光的“全球大气动力学全隐式模拟”、“非线性地震模拟”两项应用成功获得戈登贝尔奖，这一获奖时间比业界预期提前了五年。

“中国不仅有能力研制世界一流的超算，还能有效利用顶尖的计算性能解决高精尖的科学计算问题，我们现在需要根据科研、应用的能力去统筹超算路径。”张云泉认为，“科研、应用能力的提升，让我们有希望在未来5-10年的时间里，把发展模式从机器驱动转变为应用需求驱动。”

而科技部高性能计算重点专项中， E级高性能计算机系统、高性能计算应用软件研发、高性能计算环境研发并列为三大技术方向。2018年7月、8月、10月，天河三号E级原型机、神威E级原型机、曙光E级原型机先后完成交付。

“通过太湖之光的培育，现在已经有几十个自己开发的超算应用，而且这些应用现在都很快就移植到了神威E级原型机上，出了很多测试结果，神威的超算生态已经成型了。”张云泉向记者介绍，“而且，在技术路线上，神威的众核架构，又走在了前面，很可能会成为E级超算的主流架构。”

事实上，美国超算先驱UIUC大学曾预测，E级超算需要采用众核架构，但Intel为了延续其X86生态的兼容性不敢轻易尝试新的体系架构，直到Intel超算Aurora（极光）失利之后，Intel近期才开始尝试众核路线。同时，日本富士通近期发布、用于E级超算的A64FX处理器，也采用了众核架构。而神威则从问世之初就采用了众核架构，技术路线上领先数年。

不过，虽然中国拥有技术路线优势，但国际E级超算竞争异常激烈。以美国为例，美国政府每年拨款数亿美元支持先进计算研究（ASCR）项目，2017年，ASCR专门成立了新的E级计算项目（ECP），且ASCR经费开始逐渐上涨，2016、2017年经费分别为6.21亿美元、6.63亿美元，而2018、2019年预算则涨至8.1亿美元、8.99亿美元。

2018年4月,美国能源部宣布将以18亿美元的预算采购3套E级超算系统，分别部署在阿贡实验室、橡树岭实验室、劳伦斯利弗莫尔三个国家级实验室，且2021年之前至少有一套交付使用。

除美国之外，欧盟也在加大对超算的投入。2018年9月，欧盟20多个成员国发起欧洲高性能计算联合承诺（Euro HPC JU）。该计划预计在2019-2020年间投入14.2亿欧元，采购两台P级、两套Pre-E级超算系统，并开发欧洲自主CPU、E级超算系统、应用软件等。而在接下来的计划中，欧盟预计在2021-2028年间投入27亿欧元，部署多套E级超算系统。

相比之下，国内政府对于超算的投入并不多。根据中国网格网络运行管理中心统计，2015-2017年，科技部、自然科学基金委、地方政府对超算总投入约10亿元。该数字远低于欧美国家。而据知情人士介绍，“目前，国内科技部对E级原型机的项目指南还没出，大家还没有向财政部申请E级原型机的资金，所以国内E级原型机有可能会拖延，与美国撞车，届时的竞争更精彩。” （编辑：张伟贤）

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