中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心，北京 100190

引言

超級計算水平已經(jīng)成為各國科技競爭力和綜合國力的重要標志之一，是世界高技術(shù)領(lǐng)域的戰(zhàn)略制高點，同時也是我國“十三五”科技發(fā)展規(guī)劃的重要建設(shè)內(nèi)容之一。

超級計算機系統(tǒng)是利用先進的計算能力理解和解決現(xiàn)實問題的工具。從 1964 年被公認為第一臺超級計算機的 CDC 6600[1]的誕生，一直到在最新一期TOP 500[2]排行榜占據(jù)首位、理論峰值達 125, 435.9 Teraflops/s 的“神威 · 太湖之光”計算機系統(tǒng)，50多年來超級計算機的計算能力已經(jīng)有了 10 多個數(shù)量級的提升。2009 年起，科技部先后批準建立了六家國家超級計算中心，目前已有多家單位多次進入世界五百強超級計算機系統(tǒng)榜單，硬件系統(tǒng)資源發(fā)展態(tài)勢也呈現(xiàn)繁榮發(fā)展的景象。

圖1 TOP 500 按國家分布劃分系統(tǒng)占有率態(tài)勢圖 (2006 年-2016 年)(數(shù)據(jù)來源：https://www.top500.org/statistics/overtime/)Fig. 1 The systems share occupancy countries distribution trend graph of TOP500 from 2006 to 2016 (Source：https://www.top500.org/statistics/overtime/)

除此之外，令超級計算機系統(tǒng)設(shè)備真正發(fā)揮效用、為各領(lǐng)域提供高效計算服務的則主要由高性能計算的應用發(fā)展水平?jīng)Q定，它同時也象征著各個國家高性能計算的軟實力。近年來，我國不斷加大對高性能計算應用的重視力度，“造好機器的同時也要用好機器”已不再是一句簡單的口號語，國內(nèi)超算中心除了在硬件基礎(chǔ)設(shè)施上打破了歐美國家的壟斷局面，在應用領(lǐng)域也已開始向戈登貝爾獎發(fā)起沖擊，2016 年已有多個典型應用獲得該獎項的提名。學科應用領(lǐng)域科學研究成果的取得與高性能計算的聯(lián)系已經(jīng)越來越緊密，高性能計算的應用發(fā)展程度也直接影響著科學領(lǐng)域的進步。

本文第 2 節(jié)對國內(nèi)一些具有代表性的超級計算機系統(tǒng)的建設(shè)情況進行了態(tài)勢分析。第 3 節(jié)選擇具有代表性的國內(nèi)大型超級計算中心，并對其高性能計算應用的發(fā)展情況做出概況分析。

最后在以上兩節(jié)的基礎(chǔ)上，對我國高性能計算應用的可持續(xù)發(fā)展問題提出了一些對策分析與發(fā)展建議。

1 超級計算機系統(tǒng)建設(shè)態(tài)勢分析

國內(nèi)超級計算機系統(tǒng)的發(fā)展近些年來正逐步縮小與先進發(fā)展水平國家的差距，從下圖 1[3]可以看出，美國、日本、歐洲一些發(fā)達國家長期占據(jù)世界超級計算機五百強 (以下簡稱“TOP 500”) 榜單之內(nèi)，近年來隨著日益增長的計算需求，國家對此高度重視，不斷加強基礎(chǔ)設(shè)施的硬件能力建設(shè)力度，自 2010 年起，TOP 500 系統(tǒng)占有率逐年增加，當前國內(nèi)一些大型超算中心的高性能計算能力業(yè)已達到國際領(lǐng)先水平，僅 2016 年一年，我國就有 168 臺超級計算機系統(tǒng)進入 TOP 500 榜單，占全部系統(tǒng)的33.6% (如下圖 2[4]所示) ，已完全打破美國、日本及歐洲發(fā)達國家在先進硬件資源方面壟斷的局面。

中國在全球超算 500 強榜單上首次整體性領(lǐng)先，是“中國制造”成功轉(zhuǎn)型的一個象征。167 臺超級計算機入榜背后是中國強大的計算機技術(shù)集團軍，其中國家超級計算無錫中心更是以超過每秒十億億次浮點運算能力躍居世界 500 強榜首。本文選取了幾個具有代表性的超算中心，并對其超級計算機系統(tǒng)建設(shè)的情況進行了詳細介紹。

圖2 TOP 500 按國家分布劃分系統(tǒng)占有率統(tǒng)計圖 (2006 年)(數(shù)據(jù)來源：https://www.top500.org/statistics/list/)Fig. 2 The systems share occupancy countries distribution trend graph of TOP500 in 2016 (Source: https://www.top500.org/statistics/list/)

國家超級計算無錫中心[5](以下簡稱“無錫超算中心”) 成立于 2016 年 6 月，是無錫市政府直屬事業(yè)單位，由清華大學與無錫市政府共同建設(shè)，并委托清華大學管理運營。擁有世界上首臺峰值運算性能超過每秒十億億次浮點運算能力的超級計算機——“神威 · 太湖之光”。該系統(tǒng)是我國“十二五”期間“863 計劃”的重大科研成果，由國家并行計算機工程技術(shù)研究中心研制，運算系統(tǒng)全面采用了由國家高性能集成電路設(shè)計中心通過自主核心技術(shù)研制的國產(chǎn)“申威 26010”眾核處理器?！吧裢?· 太湖之光”也是我國第一臺全部采用國產(chǎn)處理器構(gòu)建的世界排名第一的超級計算機。

國家超級計算廣州中心[6](以下簡稱“廣州超算中心”) 成立于 2013 年 11 月，由廣東省人民政府、廣州市人民政府、國防科技大學、中山大學共同建設(shè)，是廣州市重點建設(shè)的科技一號工程。天河二號擁有約 17920 個計算節(jié)點，每節(jié)點配備兩顆 Xeon E5 系列 12 核心的中央處理器、三個 Xeon Phi 57核心的協(xié)處理器 (運算加速卡)，總內(nèi)存容量約 1.4 PB，全局存儲總?cè)萘考s 12.4 PB。連續(xù)六次在世界超級計算機 500 強排名中位列榜首。

國家超級計算天津中心[7](以下簡稱“天津超算中心”) 是國家科技部 2009 年 5 月正式批準建設(shè)，由天津市濱海新區(qū)和國防科學技術(shù)大學共同建設(shè)，以國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃 (863 計劃) 信息技術(shù)領(lǐng)域“高效能計算機及網(wǎng)格服務環(huán)境”重大項目“千萬億次高效能計算機系統(tǒng)”研制成果為基礎(chǔ)構(gòu)建的國家級超級計算中心。除了“天河一號”超級計算機外，天津中心還裝備有三臺高性能計算機系統(tǒng)，具體包括：計算性能達到百萬億次的天河 · 天騰 (TH-1) 系統(tǒng)；包含 128 個 Intel-EX5675 CPU 的天河 · 天翔系統(tǒng)；包含 96 個 CPU 的天河 · 天馳系統(tǒng)；四套計算機系統(tǒng)面向不同的應用領(lǐng)域，將提供高質(zhì)量的高性能計算和云服務。

中國科學院超級計算中心[8](以下簡稱“中科院超算中心”) 成立于 1996 年，成為以面向科學院乃至社會提供高性能計算能力和技術(shù)支持為宗旨的支撐服務單位。陸續(xù)引進了“SGI Power Challenge XL” (64 億次，1996 年) 、“日立 SR2201” (96 億次，1998 年) 和“曙光 2000-II” (1117 億次，2000年) 三臺超級計算機。中心先后于 2003 年和 2008年，在中科院信息化專項和國家 863 計劃共同支持下，引進當時位居世界超級計算機 TOP500 排名榜第 14 位的 5 萬億次“深騰 6800”超級計算機和排名第 19 位的“深騰 7000”超級計算機。2014 年中科院新一代超級計算機“元”正式上線，也將跨入千萬億次計算時代。

國內(nèi)大型超算中心的計算機系統(tǒng)建設(shè)及發(fā)展水平普遍受資金投入力度、運維服務隊伍等多方面因素的影響，因此在造機器的同時也要考慮系統(tǒng)的能耗及更新?lián)Q代等隨之而來的問題，從 1996 年至今的十年來，國內(nèi)超算中心正逐步研制與國際先進超算中心接軌的大型超級計算機系統(tǒng) (如下圖 3 所示)，為國內(nèi)各用戶單位提供了持續(xù)的計算服務保障。

由上圖 3 分析可以看出，作為國內(nèi)成立最早的超級計算中心，中科院超算中心的計算機系統(tǒng)硬件資源已從 1996 年第一臺 64 億次的“SGI Power Challenge XL”計算機系統(tǒng)發(fā)展到 2014 年的計算性能為 2.3PFlops 的新一代“元”系統(tǒng)，先后經(jīng)歷了六次硬件系統(tǒng)的更新?lián)Q代，為中國科學院內(nèi)外單位用戶持續(xù)提供二十年不間斷的計算應用服務。無錫超算中心在成立之初即以峰值運算性能為 125,435.9TFlops的超級計算機系統(tǒng)“神威 · 太湖之光”躍居世界超級計算機五百強 (TOP 500 排行榜) 榜首，成為世界上首臺峰值運算性能超過每秒十億億次浮點運算能力的超級計算機。除此之外，天津超算中心和廣州超算中心也先后多次蟬聯(lián)過 TOP 500 排行榜榜首。我國超級計算機系統(tǒng)的計算能力已從原先的追趕歐美發(fā)達國家的腳步，躍升為持續(xù)領(lǐng)先國際先進水平的狀態(tài)。

表1 2016 年國內(nèi)主要大型超算中心計算機系統(tǒng)統(tǒng)計表Table 1 The statistics of thesupercomputer systems capacity of the majorsupercomputing centers in China (2016)

圖3 國內(nèi)主要大型超算中心峰值計算性能發(fā)展歷程趨勢圖(1996-2016 年)(數(shù)據(jù)來源：https://www.top500.org/lists/)Fig. 3 The systems share occupancy countries distribution trend graph of TOP500 in 2016. The development trend of the peak value calculation performance of the main large-scale super computing centers in China (Source: https://www.top500.org/lists/)

3 高性能計算應用態(tài)勢分析

應用領(lǐng)域方面[9]，新興應用較傳統(tǒng)應用占有很大比重。高性能計算應用領(lǐng)域呈現(xiàn)出擴大化的趨勢，除了傳統(tǒng)的科研、教育、超算中心外，像電信、互聯(lián)網(wǎng)、云計算、金融、游戲、信息安全等領(lǐng)域也得到了越來越多的采用。部署在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的高性能系統(tǒng)的份額進一步擴大。據(jù)了解，我國在應用方面主要支持了兩方面的應用[10]。一類應用是強調(diào)資源共享、協(xié)同工作的網(wǎng)格應用。包括新藥發(fā)現(xiàn)、氣象結(jié)合預報、科學數(shù)據(jù)網(wǎng)格、水利信息化、鐵路信息化等等，這類屬于網(wǎng)格應用。另外一類應用是強調(diào)計算能力，解決重大計算問題。比如計算化學、計算天文學、面向千萬億次的并行算法庫、大型流體機械的優(yōu)化設(shè)計、激光核聚變領(lǐng)域的并行計算軟件、天氣預報在國產(chǎn)千萬億次機上運行、大飛機的流場設(shè)計等等。

根據(jù)國內(nèi) TOP100 發(fā)布的數(shù)據(jù)報告顯示，對比2014 年和 2015 年的國內(nèi)高性能計算應用領(lǐng)域的分布情況 (如下圖 4[11]、5[9]所示)，可以看出，互聯(lián)網(wǎng)服務的比例由 55% 縮減至 24%，高性能計算應用分支比例逐漸擴張，如大數(shù)據(jù)、電子商務、云計算、科學計算、視頻以及移動互聯(lián)網(wǎng)的應用范圍也在呈現(xiàn)急劇增長的趨勢，此外電信、政府部門、超算中心、電力等行業(yè)的高性能計算應用情況受計算需求、相對固定的用戶群體等穩(wěn)定因素的影響，應用比例在近兩年基本維持不變。

超算發(fā)展是速度之爭，更是應用之爭。被稱作超算應用領(lǐng)域諾貝爾獎的“戈登貝爾”獎，從 1987年設(shè)立以來，中國團隊從未入圍過。今年，基于“神威 · 太湖之光”系統(tǒng)的3項全機應用已經(jīng)入圍，占全部入圍數(shù)量一半。這三項應用分別為中科院軟件所與清華大學、北師大合作的“全球大氣非靜力云分辨模擬”；國家海洋局海洋一所與清華大學合作的“高分辨率海浪數(shù)值模擬”以及中科院超算中心的“鈦合金微結(jié)構(gòu)演化相場模擬”。此外，國內(nèi)大型超算中心也開始逐步深入開展一批大規(guī)模、多領(lǐng)域的高性能計算應用，如表 2 所示。

近年來，國內(nèi)超算中心除了在硬件基礎(chǔ)設(shè)施上完全打破歐美國家的壟斷局面外，在高性能計算應用領(lǐng)域方面也有了全面的突破性發(fā)展，相比較于早年的重基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)而輕應用的發(fā)展觀念，如今的國內(nèi)大型超算中心已經(jīng)開始有規(guī)劃、有目的的進行統(tǒng)籌建設(shè)與發(fā)展[15]，也使得“造好機器難，用好機器更難”這樣的尷尬局面逐漸成為了歷史。

圖4 2016 年國內(nèi)高性能計算應用領(lǐng)域分布情況 (數(shù)據(jù)來源：http://wenku.baidu.com/link?url=uB5SSN7NjkG2ppgLwLVOOHdlksw pBSbTJ6phVPr_bqTPzRH0sp8Mm2bKWTo4HmnKKuO9xiZZpiXyK O9i73SWtybUyghAz5hGM6KQ6T_75du)Fig. 4 The domestic high performance computing application field distribution in 2014 (Source: http://wenku.baidu.com/link?ur l=uB5SSN7NjkG2ppgLwLVOOHdlkswpBSbTJ6phVPr_bqTPzRH 0sp8Mm2bKWTo4HmnKKuO9xiZZpiXyKO9i73SWtybUyghAz5h GM6KQ6T_75du)

圖5 2015 年國內(nèi)高性能計算應用領(lǐng)域分布情況 (數(shù)據(jù)來源：http://www.guancha.cn/Science/2015_11_12_341049.shtml)Fig. 5 The domestic high performance computing application field distribution in 2015 (Source: http://www.guancha.cn/Science/2015_11_12_341049.shtml)

3 展望與建議

根據(jù)以上對國內(nèi)一些主要的大型超級計算中心的計算機系統(tǒng)建設(shè)和高性能計算應用兩方面的態(tài)勢比較與分析，我們可以清晰地看到，目前我國超級計算機系統(tǒng)的研制水平已經(jīng)躋身國際領(lǐng)先行列，近兩年來高性能計算的應用水平也在逐漸縮小與國際先進國家之間的差距。國內(nèi)的超算中心在探索可持續(xù)發(fā)展的道路上，正逐步從“重硬輕軟”轉(zhuǎn)變到“軟硬兼顧”的層面上來，高性能計算的應用水平與超級計算機系統(tǒng)的計算水平相輔相成，必將極大地提高我國以超級計算機為工具進行科學探索的能力。

為了更加切實有效地推進國內(nèi)超級計算中心的可持續(xù)發(fā)展，提出如下幾點展望與建議：

(1) 對于面向國家及科研服務為主的超級計算中心，特別是國家級的超級計算中心，應從國家層面進行統(tǒng)籌規(guī)劃和合理布局，充分發(fā)揮國家隊的資源優(yōu)勢，堅持以用戶需求為導向，助力地區(qū)建設(shè)為根本[16]。充分利用當前超級計算機系統(tǒng)的計算資源，避免基礎(chǔ)設(shè)施重復建設(shè)，或某些應用領(lǐng)域與高性能計算資源之間出現(xiàn)斷檔的情況發(fā)生。

表2 國內(nèi)主要大型超算中心高性能計算應用情況統(tǒng)計表Table 2 The statistics of the domestic high performance computing application

(2) 超級計算中心的可持續(xù)發(fā)展，需要在摸索中找準定位，明確發(fā)展方向。一方面需要深入探討與地方政府、企業(yè)以及高校聯(lián)合研究等多種合作模式。另一方面還需要切實結(jié)合實際情況，并借鑒國外一些先進超級計算中心的發(fā)展經(jīng)驗，如德國于利希超級計算中心，隸屬于德國核物理研究所，該中心由政府出資，為核物理研究所的科學研究提供計算服務，不對外服務，支持的研究領(lǐng)域為網(wǎng)格技術(shù)、能源科學、材料科學等。

(3) 目前，我國高性能計算機的用戶 (或潛在用戶) 達到了前所未有的數(shù)量和類型。高性能計算產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的同時，如何在高性能計算機與用戶應用間架設(shè)“橋梁”，更好的發(fā)揮高性能計算機的“效能”已成為迫在眉睫亟待解決的問題[17]。

(4) 應充分發(fā)揮超級計算創(chuàng)新聯(lián)盟的作用[18]，推進國內(nèi)高性能計算的健康發(fā)展。該聯(lián)盟將造機器、關(guān)機器、用機器三個群體有機聯(lián)合起來，共同探索構(gòu)建超級計算創(chuàng)新平臺，促進行業(yè)技術(shù)進步和應用發(fā)展，更好地服務社會與廣大用戶，將有力促進我國高性能計算相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新、應用的普及和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，加速我國超級計算產(chǎn)、學、研、用的融合，更好地壯大我國超級計算事業(yè)的發(fā)展。

(5) 加強人才培養(yǎng)、引進與合作[19]。鑒于近年來Gordon Bell 獎項的取得大多數(shù)是跨學科、跨單位合作研究的成果，為了更加深入有效地挖掘應用，應打破當前多數(shù)固有的應用發(fā)展模式，改將科學家、軟件研發(fā)人員以及系統(tǒng)運行服務人員等多方團隊深度契合，充分發(fā)揮協(xié)同創(chuàng)新的合作模式，共同解決技術(shù)和應用等方面的難題，使得徹底扭轉(zhuǎn)“重硬輕軟”的局面，達到國際先進高性能計算科學應用的水平，并在 Gordon Bell 獎項上盡早有所突破。

4 結(jié)束語

通過本文對于國內(nèi)一些大型超級計算中心關(guān)于計算機系統(tǒng)建設(shè)及高性能計算應用的發(fā)展態(tài)勢比較分析，可以發(fā)現(xiàn)，這些大型超級計算中心的發(fā)展水平已經(jīng)基本與歐美等國際上先進的超級計算中心相持平，且有領(lǐng)先的趨勢。同時，高性能計算的應用水平也在不斷提升，今年有三個應用入圍 Gordon Bell 獎，也足以說明我國的高性能計算應用水平有了長足突破。但是，國內(nèi)超算中心的整體發(fā)展水平較美國、日本、歐洲仍有較大差距[20]，建議在合理規(guī)劃與布局的基礎(chǔ)上，全面充分的探索適合各自超算中心的可持續(xù)發(fā)展道路，大力推進以領(lǐng)域應用為牽引的新型計算機體系結(jié)構(gòu)研究和系統(tǒng)研制以解決重大問題為目標，繼續(xù)加大對高性能計算應用軟件研發(fā)的支持力度[21]。將計算機系統(tǒng)建好、管好、用好，更好地服務于各應用領(lǐng)域，實現(xiàn)更大更多的效益和成果產(chǎn)出。

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