中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心 顧蓓蓓

2017 年 11 月 9 日，在昆明舉辦的中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心 2017 年用戶大會(huì)暨技術(shù)交流大會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心信息化發(fā)展戰(zhàn)略與評(píng)估中心發(fā)布了 2016 年度中國(guó)科學(xué)院超級(jí)計(jì)算發(fā)展指數(shù) (CAS SCDI)，該指數(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)基于自主開發(fā)的“CAS SCDI 數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)”Web 在線收集，院超級(jí)計(jì)算環(huán)境用戶群體中共計(jì) 157 個(gè)課題組提交了超級(jí)計(jì)算應(yīng)用成果。

1 超級(jí)計(jì)算發(fā)展指數(shù)簡(jiǎn)要分析

(1) 2016 年度 CAS SCDI 編制說(shuō)明

中國(guó)科學(xué)院超級(jí)計(jì)算發(fā)展指數(shù) (CAS SCDI) 編制以超級(jí)計(jì)算生態(tài)環(huán)境合理量化綜合評(píng)價(jià)為出發(fā)點(diǎn)，遵循科學(xué)性、目的性、導(dǎo)向性、代表性、可行性、公開性和通用性原則，從環(huán)境建設(shè)、環(huán)境使用、用戶直接科研產(chǎn)出、支持用戶科研項(xiàng)目、人才培養(yǎng)和收入六個(gè)維度構(gòu)建了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，共計(jì) 17 個(gè)三級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)、6 個(gè)分指數(shù)、1 個(gè)綜合指數(shù)。此外，該報(bào)告第四次為分中心提供超級(jí)計(jì)算發(fā)展指數(shù)分析，并將該指數(shù)繼續(xù)納入分中心考核的量化指標(biāo)，為分中心的發(fā)展提供了重要參考依據(jù)。

圖1 中國(guó)科學(xué)院超級(jí)計(jì)算發(fā)展指數(shù) (CAS SCDI) 走勢(shì) (2006-2016 年)Fig. 1 Trends of the CAS SCDI during 2006-2016

(2) 2016 年 CAS SCDI 編制結(jié)果及分析

中國(guó)科學(xué)院超級(jí)計(jì)算發(fā)展指數(shù) 2006-2016 年度走勢(shì)如圖 1 所示。

分析表明：

① 2016 年度，CAS SCDI 為 426.74 點(diǎn)，較 2015年度降低了 5.86%，2006-2016 年間平均增長(zhǎng)率為35.76%。這表明，中國(guó)科學(xué)院超級(jí)計(jì)算過(guò)去幾年間保持著強(qiáng)勁的發(fā)展態(tài)勢(shì)，中國(guó)科學(xué)院超級(jí)計(jì)算環(huán)境的建成為中國(guó)科學(xué)院超級(jí)計(jì)算的發(fā)展注入了強(qiáng)大的動(dòng)力，加強(qiáng)超級(jí)計(jì)算軟環(huán)境建設(shè)仍然是中國(guó)科學(xué)院超級(jí)計(jì)算環(huán)境今后發(fā)展需要著重解決的一個(gè)問(wèn)題。

②超級(jí)計(jì)算應(yīng)用的發(fā)展會(huì)在一定程度上滯后于計(jì)算能力的提升，但計(jì)算能力升級(jí)的間隔周期過(guò)長(zhǎng)，致使用戶作業(yè)規(guī)模長(zhǎng)期保持在一定的水平，甚至出現(xiàn)一定幅度的下降，這不利于超級(jí)計(jì)算應(yīng)用的良性發(fā)展，也是阻礙超級(jí)計(jì)算發(fā)展的一個(gè)因素。

③加強(qiáng)超級(jí)計(jì)算人才培養(yǎng)是超級(jí)計(jì)算生態(tài)環(huán)境建設(shè)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，能夠直接推動(dòng)用戶直接科研產(chǎn)出和收入等層面的發(fā)展，能夠?yàn)橹袊?guó)科學(xué)院超級(jí)計(jì)算良性發(fā)展提供持續(xù)推動(dòng)力。

2006-2016 年度，中國(guó)科學(xué)院超級(jí)計(jì)算發(fā)展指數(shù)6 個(gè)分指數(shù)走勢(shì)如圖 2 所示。2016 年度，各分指數(shù)較2015年度的增長(zhǎng)比例及對(duì)總指數(shù)的貢獻(xiàn)如圖 3 所示。

對(duì) 6 個(gè)分指數(shù)的編制結(jié)果的分析表明：

① 2016 年度，6 個(gè)分指數(shù)中，用戶直接科研產(chǎn)出分指數(shù)和支持用戶科研項(xiàng)目分指數(shù)較 2015 年度有所下降，降幅分別約為 17.76% 和 24.26 %；其余 4 個(gè)分指數(shù)較 2015 年度增幅較小。

② 2016 年度，用戶直接科研產(chǎn)出分指數(shù)對(duì)總指數(shù)增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)最高，達(dá)到 162.21%，由于 2016 年總指數(shù)是下降的，所以貢獻(xiàn)最高的分指數(shù)是降幅最多的，分析主要原因：一是 2016 年度提交用戶成果的人數(shù)減少，二是用戶發(fā)表論文數(shù)減少導(dǎo)致；其次是環(huán)境建設(shè)、環(huán)境使用、支持用戶科研項(xiàng)目、人才培養(yǎng)和收入分指數(shù)對(duì)總指數(shù)增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)甚微，這主要是因?yàn)橹袊?guó)科學(xué)院超級(jí)計(jì)算環(huán)境的基礎(chǔ)設(shè)施已基本老化，故障率越來(lái)越高，可用資源降低，這是中國(guó)科學(xué)院超級(jí)計(jì)算目前發(fā)展過(guò)程中所存在的薄弱環(huán)節(jié)，希望在“十三五”期間提升我院超級(jí)計(jì)算環(huán)境能力，更好的支撐服務(wù)我院的科學(xué)發(fā)展。

圖2 中國(guó)科學(xué)院超級(jí)計(jì)算發(fā)展分指數(shù)走勢(shì) (2006-2016 年)Fig. 2 Trends of the sub-indices of the CAS SCDI during 2006-2016

(3) 分中心發(fā)展指數(shù)分析

2011-2016 年 9 個(gè)分中心的超級(jí)計(jì)算發(fā)展指數(shù)趨勢(shì)如圖 4 所示。數(shù)據(jù)表明，2016 年度合肥分中心、廣州分中心和蘭州分中心名列前三。整體來(lái)看，分中心發(fā)展是穩(wěn)健向上發(fā)展的，同時(shí)由于絕大部分分中心設(shè)備也已超過(guò)五年，設(shè)備需要升級(jí)換代以保障持續(xù)長(zhǎng)久的發(fā)展。

分中心指數(shù)對(duì)總指數(shù)的貢獻(xiàn)率如圖 5 所示。數(shù)據(jù)表明，分中心對(duì)我院超級(jí)計(jì)算發(fā)展指數(shù)起到了重要作用，2016 年度貢獻(xiàn)率達(dá)到 42.18%。

圖3 2016 年度各分指數(shù)較 2015 年度增長(zhǎng)比例及對(duì)總指數(shù)增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)Fig. 3 Contribution ratio of sub-indices to CAS SCDI growth (2016)

圖4 分中心超級(jí)計(jì)算發(fā)展指數(shù)走勢(shì) (2011-2016 年)Fig. 4 Trends of the CAS SCDI of regional centers during 2011-2016

9 家分中心的分指數(shù)發(fā)展走勢(shì)如圖 6 所示。很明顯，2016 年度大部分分中心的收入分指數(shù)有大幅提升，主要原因是對(duì)收入分指標(biāo)征集范疇進(jìn)行了規(guī)范和明確。

圖5 分中心指數(shù)對(duì)總指數(shù)的貢獻(xiàn)率 (2011-2016 年)Fig. 5 Contribution ratio of sub-indices to CAS SCDI (2011-2016)

2 超級(jí)計(jì)算環(huán)境使用簡(jiǎn)要分析

基于各中心管理員提交的超級(jí)計(jì)算環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)，從系統(tǒng)使用率和計(jì)算規(guī)模兩個(gè)維度對(duì)中國(guó)科學(xué)院超級(jí)計(jì)算環(huán)境 2016 年度使用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

(1) 中國(guó)科學(xué)院超級(jí)計(jì)算環(huán)境總中心和分中心系統(tǒng)整體使用率 (2016 年)

2016 年度中國(guó)科學(xué)院超級(jí)計(jì)算環(huán)境總中心和 9家分中心系統(tǒng)使用率情況如圖 7 所示。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2016 年度，總中心和青島、合肥、昆明分中心系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)載較高，系統(tǒng)使用率均超過(guò)了 50%，其中合肥分中心系統(tǒng)使用率最高，達(dá)到 69.21%。這主要在于這些超級(jí)計(jì)算中心擁有較大規(guī)模的用戶群體，超級(jí)計(jì)算學(xué)科應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛，可以考慮進(jìn)一步增強(qiáng)超級(jí)計(jì)算能力；沈陽(yáng)分中心系統(tǒng)使用率偏低，可以從加強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)維保障能力、拓展超級(jí)計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域、培育超級(jí)計(jì)算典型示范應(yīng)用等方面提高超級(jí)計(jì)算應(yīng)用水平。

(2) 中國(guó)科學(xué)院超級(jí)計(jì)算環(huán)境總中心和分中心按計(jì)算規(guī)模統(tǒng)計(jì)的用戶作業(yè)機(jī)時(shí)占比情況 (2016 年)

對(duì)于總中心按計(jì)算規(guī)模統(tǒng)計(jì)的用戶作業(yè)機(jī)時(shí)占比，2010-2016 連續(xù)七年的對(duì)照情況如圖 8 所示。2010-2015年總中心 64-127 CPU 核計(jì)算規(guī)模的作業(yè)機(jī)時(shí)占比連續(xù)六年保持最高，2016 年度 2～31 CPU核作業(yè)機(jī)時(shí)占比最高，達(dá)到 40.35%。主要原因在于 2016年 8 月“元”二期開始正式對(duì)外開放，大規(guī)模作業(yè)尚未全面啟動(dòng)，大規(guī)模的測(cè)試作業(yè)多運(yùn)行于總中心系統(tǒng)之上，加之小規(guī)模作業(yè)仍然占比較大，尤其是其中公安部“全國(guó)十指指紋數(shù)據(jù)集中查重清洗”的項(xiàng)目安排，大量 24 核作業(yè)任務(wù)集中部署在總中心系統(tǒng)內(nèi)，全年共計(jì)運(yùn)行 7479342 個(gè)作業(yè)，占據(jù) 2-31 核的 49.55%。此外，由于受國(guó)內(nèi)大型超算中心大規(guī)模計(jì)算作業(yè)能力逐年提升的影響，總中心“計(jì)算規(guī)模-用戶作業(yè)機(jī)時(shí)占比”變化曲線仍將呈現(xiàn)出“尖峰-厚尾”不對(duì)稱分布形態(tài)，曲線的峰值會(huì)逐漸右移且靠近曲線的左側(cè)。這也表明，超級(jí)計(jì)算能力建設(shè)需要合理規(guī)劃布局、分階段擴(kuò)容，才能夠滿足用戶動(dòng)態(tài)的應(yīng)用需求，形成計(jì)算能力與學(xué)科領(lǐng)域應(yīng)用協(xié)調(diào)、良性發(fā)展局面。

圖6 中國(guó)科學(xué)院超級(jí)計(jì)算發(fā)展分指數(shù)走勢(shì) (2011-2016 年)Fig. 6 Trends of the sub-indices of the CAS SCDI during 2011-2016

圖7 2016 年度總中心和 9 家分中心系統(tǒng)整體使用率Fig. 7 System Usage Rate of head center and nine regional centers (2016)

圖8 總中心按計(jì)算規(guī)模統(tǒng)計(jì)的作業(yè)機(jī)時(shí)占比情況對(duì)照Fig. 8 Comparison of proportion of job walltime based on calculation scale in head center

圖9為 2016 年度各分中心按計(jì)算規(guī)模統(tǒng)計(jì)的作業(yè)機(jī)時(shí)占比情況。分析發(fā)現(xiàn)，在分中心萬(wàn)億次計(jì)算系統(tǒng)中，用戶作業(yè)基本集中在 2～255 CPU 核的計(jì)算規(guī)模，9 家分中心該計(jì)算規(guī)模區(qū)間段的作業(yè)機(jī)時(shí)占比都接近或超過(guò) 70%，其中深圳、沈陽(yáng)、武漢分中心在該計(jì)算規(guī)模區(qū)間段的作業(yè)機(jī)時(shí)占比超過(guò) 95%；9 家分中心中，蘭州和青島分中心 128 CPU 核以上計(jì)算規(guī)模的作業(yè)機(jī)時(shí)占比最高，超過(guò) 35%；青島分中心 128 CPU核及以上計(jì)算規(guī)模的作業(yè)機(jī)時(shí)占比達(dá)到 65.54%；合肥分中心 1024 CPU 核及以上計(jì)算規(guī)模的作業(yè)機(jī)時(shí)占比為 2.96%。這表明，各分中心在大規(guī)模并行計(jì)算應(yīng)用方面具有一定的潛力，在超級(jí)計(jì)算應(yīng)用拓展方面具有更大的發(fā)展空間。

3 超級(jí)計(jì)算用戶應(yīng)用成果概覽

基于超級(jí)計(jì)算用戶已提交的2016年度超級(jí)計(jì)算應(yīng)用成果數(shù)據(jù)，對(duì)用戶科研項(xiàng)目、學(xué)術(shù)論文和專利情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖9 2016 年度分中心按計(jì)算規(guī)模統(tǒng)計(jì)的作業(yè)機(jī)時(shí)占比情況Fig. 9 Proportion of job walltime based on calculation scale in regional centers (2016)

圖10 由計(jì)算支撐的用戶科研項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)來(lái)源情況Fig. 10 Research funding sources supported by calculation of users

(1) 計(jì)算支撐科研項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)來(lái)源情況 (2016 年)

在中國(guó)科學(xué)院超級(jí)計(jì)算環(huán)境用戶群體中，2016年度計(jì)算支撐科研項(xiàng)目共計(jì) 416 項(xiàng)，比 2015 年度項(xiàng)目數(shù)降低 4.14%。經(jīng)費(fèi)來(lái)源分布情況如圖 10 所示，國(guó)家級(jí)項(xiàng)目占比超過(guò) 80%，其中國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目最多(占總項(xiàng)目的 60%)，這充分表明中國(guó)科學(xué)院超級(jí)計(jì)算環(huán)境為國(guó)家層面的科學(xué)研究項(xiàng)目的開展提供了強(qiáng)有力的計(jì)算支撐，對(duì)于國(guó)家科技創(chuàng)新有著無(wú)法替代的服務(wù)支撐能力。

(2) 超級(jí)計(jì)算用戶發(fā)表論文檢索情況 (2016 年)

超級(jí)計(jì)算用戶 2016 年度已發(fā)表論文共 528 篇，檢索情況如圖 11 所示，其中被 SCI 和 EI 檢索論文數(shù)達(dá)到 94%。和 2015 年度相比，2016 年度論文數(shù)量總數(shù)減少 30.52%，分析主要原因是“十三五”初期項(xiàng)目處于啟動(dòng)階段，論文發(fā)表成果相對(duì)上一年數(shù)量有所減少。分析發(fā)現(xiàn)，中國(guó)科學(xué)院院超級(jí)計(jì)算環(huán)境提供的計(jì)算服務(wù)有力地促進(jìn)了基礎(chǔ)理論研究、科學(xué)發(fā)現(xiàn)和工程技術(shù)創(chuàng)新。

圖11 超級(jí)計(jì)算用戶已發(fā)表論文檢索情況Fig. 11 Retrieval of published papers of Supercomputing users

圖12 超級(jí)計(jì)算用戶專利授權(quán)情況Fig. 12 Patent licensed by Supercomputing users

(3) 超級(jí)計(jì)算用戶專利授權(quán)情況 (2016 年)

2016 年度超級(jí)計(jì)算用戶專利授權(quán)共計(jì) 53 項(xiàng)，與2015 年度相比，專利數(shù)量增長(zhǎng) 89.29%，類別分布情況如圖 12 所示，由超級(jí)計(jì)算技術(shù)支撐所產(chǎn)出的專利集中在“發(fā)明”“國(guó)外專利”和“實(shí)用新型”三個(gè)類別，各類專利數(shù)量呈逐年上升趨勢(shì)，進(jìn)一步說(shuō)明超級(jí)計(jì)算對(duì)于知識(shí)創(chuàng)新發(fā)揮了重要的促進(jìn)作用。