蘇諾雅

(北京大學(xué) 光華管理學(xué)院， 北京 100083)

超級(jí)計(jì)算是“國(guó)之重器”，是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力和科技競(jìng)爭(zhēng)力的重要表現(xiàn)，是國(guó)家創(chuàng)新體系的重要組成，是解決經(jīng)濟(jì)建設(shè)、科學(xué)進(jìn)步、社會(huì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)等領(lǐng)域一系列挑戰(zhàn)性問題的重要手段。它作為一種通用基礎(chǔ)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于航空航天、氣象預(yù)測(cè)、宇宙探索、新材料研究、石油天然氣開采、分子模擬、航空動(dòng)力學(xué)模擬、核能仿真計(jì)算和動(dòng)漫渲染等國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域[1-2]。

超級(jí)計(jì)算，簡(jiǎn)稱超算，包括超級(jí)計(jì)算機(jī)、超級(jí)計(jì)算應(yīng)用、環(huán)境、管理和人才等。在信息時(shí)代，超算已成為科技創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要支撐，在全世界范圍內(nèi)，政府和有關(guān)部門普遍將超算作為科研公共服務(wù)體系進(jìn)行重點(diǎn)建設(shè)。超算還是信息領(lǐng)域產(chǎn)品創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo)，可輻射帶動(dòng)相關(guān)信息產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

超級(jí)計(jì)算機(jī)又稱高性能計(jì)算機(jī)，早期也稱為巨型計(jì)算機(jī)。超級(jí)計(jì)算機(jī)通常采用每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)(簡(jiǎn)稱為每秒次數(shù))作為衡量指標(biāo)。1975年，全球首臺(tái)超算系統(tǒng)美國(guó)CRAY-1實(shí)現(xiàn)了每秒1.6億次浮點(diǎn)計(jì)算。

超算能力的界定具有非常明顯的時(shí)間特點(diǎn)。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅猛，更新迭代速度快(參考摩爾定律)，一般以當(dāng)時(shí)TOP500排名的計(jì)算能力作為參考。2000年左右，每秒萬億次計(jì)算能力是超算的重要標(biāo)志。到2010年前后，很多服務(wù)器都能達(dá)到該水平。因此，超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與服務(wù)器的技術(shù)界限和計(jì)算能力界限也越來越模糊，特別是集群服務(wù)器，作為一種超級(jí)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，一定規(guī)模的集群服務(wù)器也經(jīng)常進(jìn)入超算TOP500的排名?，F(xiàn)今普通智能手機(jī)的計(jì)算能力已超過30年前世界最先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

(1)研究問題

我國(guó)超算發(fā)展從科學(xué)殿堂走向千家萬戶；從20世紀(jì)70年代末超算技術(shù)一片空白，到成果登上世界巔峰；從國(guó)內(nèi)高端計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、服務(wù)器大量依賴國(guó)外引進(jìn)，到國(guó)內(nèi)設(shè)備進(jìn)軍國(guó)際市場(chǎng)，服務(wù)器市場(chǎng)占有率攀升至全球第二，超算領(lǐng)域取得的進(jìn)步是我國(guó)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的代表性成果之一。

近十年，我國(guó)在超算領(lǐng)域取得了許多突破性成績(jī)，是我國(guó)科技發(fā)展的重要成就之一，為航空航天、核能、石油、氣象等領(lǐng)域的戰(zhàn)略性發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

超算面臨的技術(shù)門檻和技術(shù)復(fù)雜性都很高，而且面臨嚴(yán)格的國(guó)外技術(shù)輸出的限制，但超算技術(shù)趕超成就和相關(guān)企業(yè)在國(guó)際國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的突出表現(xiàn)，都是我國(guó)科學(xué)技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的成功代表。對(duì)我國(guó)在超算發(fā)展中模式和經(jīng)驗(yàn)的研究和總結(jié)，能為其他高技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展提供參考性意見。

超算的發(fā)展過程中，不乏政府的身影。與其他面臨高度不確定性和巨大研發(fā)投入的高技術(shù)領(lǐng)域一樣，單一科研實(shí)體或企業(yè)難以下決心對(duì)類似超算系統(tǒng)的大型復(fù)雜技術(shù)所需要的人力、資本等要素進(jìn)行投入。使得完全依賴市場(chǎng)機(jī)制可能造成國(guó)家整體科研投入過低，錯(cuò)失技術(shù)追趕和市場(chǎng)發(fā)展的機(jī)遇，對(duì)國(guó)外技術(shù)封鎖束手無策等情況。因此，各國(guó)在高技術(shù)的發(fā)展中，普遍引入政府干預(yù)，引導(dǎo)科技發(fā)展，提高研究成果在不同機(jī)構(gòu)和行業(yè)的轉(zhuǎn)化和流動(dòng)。

如何通過政府相關(guān)科技項(xiàng)目，引領(lǐng)、扶持重大成果的創(chuàng)新性探索，是值得研究的問題。本文主要回答政府如何引導(dǎo)形成厚實(shí)的知識(shí)和人才積累，如何主導(dǎo)超算基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和發(fā)展超算應(yīng)用，企業(yè)如何發(fā)揮市場(chǎng)主體作用，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。希望通過超算領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和摸索，為其他高技術(shù)產(chǎn)業(yè)提供借鑒。

(2)研究方法

政府和市場(chǎng)在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，尤其是高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的作用如何發(fā)揮，一直是爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。高技術(shù)是否需要產(chǎn)業(yè)政策至少有兩大陣營(yíng)，林毅夫指出世界各國(guó)都有產(chǎn)業(yè)政策[3]，也有學(xué)者認(rèn)為產(chǎn)業(yè)政策大部分都是失敗的。關(guān)于中國(guó)超算發(fā)展，有不少報(bào)告和論文，但主要從技術(shù)角度總結(jié)發(fā)展?fàn)顩r，或者某個(gè)階段的發(fā)展成果。本文從管理學(xué)的產(chǎn)業(yè)政策、政府與企業(yè)作用的角度，采用調(diào)查和實(shí)證結(jié)合的方法，探索超算發(fā)展的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新模式。采用文獻(xiàn)分析方法，分析有關(guān)研究機(jī)構(gòu)發(fā)表的論文和報(bào)告；采用實(shí)證方法，從相關(guān)上市公司發(fā)布的公告，以及國(guó)際TOP500計(jì)算機(jī)歷年排名、中國(guó)TOP100計(jì)算機(jī)歷年排名等數(shù)據(jù)中，分析企業(yè)在超算市場(chǎng)中的表現(xiàn)。

1 近十年我國(guó)超算取得的主要成就

超算的發(fā)展道路與高鐵、汽車等行業(yè)存在很大的不同。在高鐵領(lǐng)域，相關(guān)政府部門和機(jī)構(gòu)通過與國(guó)外企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)合開發(fā)，簽訂技術(shù)轉(zhuǎn)讓等方式，引進(jìn)了國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)和人員，國(guó)內(nèi)科研單位和機(jī)構(gòu)，在仿制和改進(jìn)的過程中，逐步積累經(jīng)驗(yàn)，為之后的創(chuàng)新發(fā)展打下基礎(chǔ)[4]。而中國(guó)超算的發(fā)展，包括計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，由于進(jìn)口設(shè)備性能受國(guó)際禁運(yùn)組織“巴統(tǒng)”的限制，從起步階段開始，就無法通過引進(jìn)設(shè)備直接進(jìn)行技術(shù)學(xué)習(xí)。

自1975年CRAY-1超級(jí)計(jì)算機(jī)在美國(guó)誕生起，由于超算對(duì)軍事、石油等戰(zhàn)略性領(lǐng)域具有不可替代的作用，因而被有關(guān)國(guó)家列入出口管制的技術(shù)。以中國(guó)氣象局等單位早年購買的IBM大型機(jī)為例，按照美方的要求，設(shè)備安裝在機(jī)房?jī)?nèi)部專門建的玻璃房?jī)?nèi)，只有美國(guó)公司認(rèn)可的技術(shù)人員能夠進(jìn)入進(jìn)行操作，同時(shí)攝像頭監(jiān)控畫面需要保存，供美國(guó)公司查證，嚴(yán)防中方通過接觸超算設(shè)備進(jìn)行技術(shù)學(xué)習(xí)。

從1978年鄧小平同志親自決策研制“銀河-Ⅰ”超級(jí)計(jì)算機(jī)，力圖在1983年接近美國(guó)1975年的技術(shù)水平，達(dá)到每秒1億次計(jì)算能力，到2009年后中國(guó)機(jī)器多次登頂世界，中國(guó)的超算技術(shù)在三十多年里實(shí)現(xiàn)了對(duì)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的追趕和超越，并在最近十年開始在某些方面引領(lǐng)世界超算發(fā)展的潮流。在此過程中，我國(guó)逐步形成了三支研制超級(jí)計(jì)算機(jī)的團(tuán)隊(duì)和產(chǎn)品序列——國(guó)防科技大學(xué)及其“銀河/天河”系列、中科曙光及其“曙光”系列、江南計(jì)算所及其“神威”系列。周興銘院士將這種格局形容為中國(guó)的“超算家族”三箭齊發(fā)的格局。在沒有國(guó)外設(shè)備或技術(shù)圖紙可直接借鑒的情況下，各方科研人員從零開始，摸著石頭過河，在超算設(shè)計(jì)框架、超算系統(tǒng)研制、高性能CPU、系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件等方面取得了諸多重大突破性進(jìn)展，并獲得了國(guó)際肯定。在市場(chǎng)表現(xiàn)上，中國(guó)制造的設(shè)備在國(guó)際TOP500中的占比也實(shí)現(xiàn)了跨越式增長(zhǎng)。

我國(guó)超算技術(shù)在不長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了技術(shù)追趕和超越，是非常了不起的成就。下面簡(jiǎn)要總結(jié)和梳理了近十年里中國(guó)超算取得的主要成果。

1.1 “天河”系列和“太湖之光”八年11次登上世界超算巔峰

2009年，國(guó)防科技大學(xué)和天津?yàn)I海新區(qū)聯(lián)合完成“天河一號(hào)”研制。“天河一號(hào)”是 “十一五”國(guó)家863新一代超級(jí)計(jì)算機(jī)項(xiàng)目的成果。2010年11月，通過優(yōu)化升級(jí)，實(shí)測(cè)運(yùn)算速度達(dá)到每秒2 566 萬億次，理論峰值速度每秒4 701萬億次的“天河一號(hào)A”，成為當(dāng)時(shí)世界上運(yùn)算最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)，榮登TOP500榜首。2013年6月實(shí)測(cè)運(yùn)算速度每秒3.39億億次的“天河二號(hào)”再次登頂TOP500，其理論峰值速度達(dá)每秒5.49億億次。該成績(jī)連續(xù)三年6次榮登TOP500第一。

在此之前，中國(guó)超算一直在努力追趕美國(guó)、日本等超算強(qiáng)國(guó)的技術(shù)研究，而從“天河”系列開始，我國(guó)開始實(shí)現(xiàn)與超算強(qiáng)國(guó)的并跑，并在個(gè)別方向?qū)崿F(xiàn)領(lǐng)跑?！疤旌印毕盗性谶\(yùn)算速度上實(shí)現(xiàn)突破，依賴著多方面的技術(shù)創(chuàng)新，其中較為關(guān)鍵的是在全世界范圍內(nèi)，首次在工程上實(shí)現(xiàn)了通用CPU和GPU混合的體系結(jié)構(gòu)，CPU和GPU的結(jié)合，使得單結(jié)點(diǎn)的浮點(diǎn)計(jì)算能力得到極大提高，功耗增加不多，性能價(jià)格比很好。正是由于“天河”研制團(tuán)隊(duì)在異構(gòu)體系結(jié)構(gòu)創(chuàng)新突破和大規(guī)模工程實(shí)現(xiàn)中大膽實(shí)踐，引領(lǐng)了超算技術(shù)向該方向的發(fā)展。美國(guó)斯坦福大學(xué)計(jì)算機(jī)系主任、NVIDIA公司首席科學(xué)家比爾·戴利評(píng)價(jià)認(rèn)為：“中國(guó)的天河計(jì)算機(jī)采取的CPU與GPU融合的結(jié)構(gòu)，代表了未來高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。”除此之外，“天河”節(jié)點(diǎn)互連速度是國(guó)際商用互聯(lián)技術(shù)的1倍，降低了超算系統(tǒng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間的延遲，也減小了開銷，并提高了計(jì)算速度。在2015年11月公布的TOP500中，使用加速器的超算系統(tǒng)的總計(jì)算性能占總體的三分之一；面向GPU并行處理進(jìn)行高端應(yīng)用軟件代碼優(yōu)化的應(yīng)用也超過三分之二。

2016年6月，“神威·太湖之光” 超過“天河二號(hào)A”，登頂TOP500榜單，其理論峰值達(dá)到每秒12.54億億次，實(shí)測(cè)性能為每秒9.30億億次?！吧裢ぬ狻庇山嫌?jì)算所等單位研制，安裝在國(guó)家超算無錫中心。系統(tǒng)包含40 960個(gè)自主研發(fā)的“申威26010”眾核處理器，采用64位申威指令系統(tǒng)。 “神威·太湖之光”在處理器等方面自主化取得的成果。整套系統(tǒng)在運(yùn)算速度上的優(yōu)勢(shì)保持了兩年，在2018年6月被美國(guó)Summit超級(jí)計(jì)算機(jī)以每秒14.86億億次超過。

1.2 超算應(yīng)用同步發(fā)力，多個(gè)項(xiàng)目榮獲“戈登·貝爾”獎(jiǎng)及提名

在超算領(lǐng)域，除了TOP500排名，還有一個(gè)為獎(jiǎng)勵(lì)高性能計(jì)算應(yīng)用水平而設(shè)置的“戈登·貝爾”獎(jiǎng)。截至目前，我國(guó)已經(jīng)兩次獲得該獎(jiǎng)項(xiàng)，多次獲得提名，這展示出我國(guó)不僅在超算設(shè)備研制上取得了突破，在超算應(yīng)用領(lǐng)域的成果也獲得了國(guó)際認(rèn)可。

2015年，為了研究1992年美國(guó)加州蘭德斯大地震震波傳播過程，“天河”研制團(tuán)隊(duì)與德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)等合作團(tuán)隊(duì)，利用“天河二號(hào)”開展的真實(shí)地震震波傳播模擬，從而為研究地震波產(chǎn)生傳播機(jī)理和地震預(yù)報(bào)提供了新的途徑。該成果獲得“戈登·貝爾”提名。

2016年，由中國(guó)科學(xué)院軟件研究所、清華大學(xué)等單位合作，在“神威·太湖之光”系統(tǒng)上研制的“千萬核可擴(kuò)展全球大氣動(dòng)力學(xué)全隱式模擬”獲得“戈登·貝爾”獎(jiǎng)，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)團(tuán)隊(duì)在該獎(jiǎng)項(xiàng)零的突破，在超算領(lǐng)域豎起新的里程碑。同年，國(guó)家海洋局海洋與清華大學(xué)合作完成的“高分辨率海浪數(shù)值模擬”，以及中科院等單位完成的 “鈦合金微結(jié)構(gòu)演化相場(chǎng)模擬”均獲得提名。

2017年，清華大學(xué)、南方科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等單位，在“神威·太湖之光”系統(tǒng)上完成的“非線性地震模擬”， 對(duì)唐山大地震的發(fā)生過程進(jìn)行高分辨率精確模擬，也獲得“戈登·貝爾”獎(jiǎng)。

1.3 TOP500強(qiáng)中國(guó)制造占比超越美國(guó)，超算技術(shù)躋身世界前列

中國(guó)制造的超算系統(tǒng)近年市場(chǎng)份額的攀升，與我國(guó)在多產(chǎn)業(yè)、多維度大力推動(dòng)自主可控有一定關(guān)系。但是，從相對(duì)開放競(jìng)爭(zhēng)的國(guó)內(nèi)大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)實(shí)際采購情況、國(guó)內(nèi)機(jī)器出口搶占國(guó)外市場(chǎng)等方面可以看出，我國(guó)超算在技術(shù)上取得的成就，已經(jīng)在產(chǎn)業(yè)界和學(xué)界得到了世界性的認(rèn)可。以TOP500中設(shè)備數(shù)量為例，如圖1所示，2016年6月，中國(guó)安裝的臺(tái)數(shù)為168，美國(guó)165臺(tái)，首次超過美國(guó)。到2018年6月，中國(guó)制造262臺(tái)，美國(guó)187臺(tái)，中國(guó)制造的設(shè)備數(shù)量首次超過美國(guó)，成為TOP500最大制造國(guó)。中國(guó)設(shè)備不僅在本國(guó)市場(chǎng)上部分替代國(guó)外產(chǎn)品，也大量輸出到其他國(guó)家。以2019年11月公布的TOP500機(jī)器為例，中國(guó)安裝臺(tái)數(shù)為231，中國(guó)制造臺(tái)數(shù)為328，美國(guó)安裝臺(tái)數(shù)為117，美國(guó)制造臺(tái)數(shù)為124。日本安裝臺(tái)數(shù)為29，日本制造臺(tái)數(shù)為22，歐洲安裝臺(tái)數(shù)為94，歐洲制造臺(tái)數(shù)26，其他地區(qū)安裝臺(tái)數(shù)為29，制造臺(tái)數(shù)為0。

注：某國(guó)臺(tái)數(shù)指的是安裝在該國(guó)的超算系統(tǒng)數(shù)量，某國(guó)制造指的是由某國(guó)科研單位或企業(yè)研發(fā)制造的超算系統(tǒng)數(shù)量。圖1 中美超算500強(qiáng)臺(tái)數(shù)對(duì)比圖Fig.1 Number of China and U.S. machines listed in TOP500

同時(shí)，超算技術(shù)溢出效益也非常明顯。由于服務(wù)器可以平滑地采用超算的互聯(lián)技術(shù)、CPU技術(shù)、操作系統(tǒng)技術(shù)和并行軟件設(shè)計(jì)等技術(shù)，我國(guó)在超算方面的積累自然地溢出到服務(wù)器產(chǎn)業(yè)，使得一批企業(yè)在該領(lǐng)域快速成長(zhǎng)。根據(jù)IDC數(shù)據(jù)，2018年12月11日發(fā)布的世界服務(wù)器廠家收入前五公司報(bào)告中，第一的戴爾(DELL)為40.93億美元，占17.5%，第二的HPE和新華三占16.3%，第三的浪潮占7.3%，第四的聯(lián)想占6.2%，并列第五的包括IBM占5.1%、華為占4.5%和思科占4.5%。中國(guó)企業(yè)整體的市場(chǎng)占有率達(dá)到世界第二，而在十年前沒有一家中國(guó)企業(yè)進(jìn)入前五。

1.4 E級(jí)計(jì)算技術(shù)取得初步成就

E級(jí)計(jì)算指的是每秒運(yùn)算超過百億億次(1018)的計(jì)算水平。2016年啟動(dòng)的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“高性能計(jì)算”，拉開了我國(guó)超算團(tuán)隊(duì)沖擊E級(jí)計(jì)算的序幕。2018年底，各研制單位已完成原型機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，標(biāo)志著我國(guó)超算開始邁向E級(jí)，同時(shí)自主創(chuàng)新和安全可控程度又上新臺(tái)階。

“天河三號(hào)”E級(jí)原型機(jī)使用了研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的“邁創(chuàng)”眾核處理器(Matrix-2000)、高速互連控制器和互連接口控制器三款芯片，以及計(jì)算、存儲(chǔ)和服務(wù)等節(jié)點(diǎn)，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)整體自主可控性。“神威”E級(jí)原型機(jī)采用了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的眾核處理器和網(wǎng)絡(luò)芯片組，在E級(jí)體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)軟件、并行算法等方面取得了重要?jiǎng)?chuàng)新?！笆锕狻盓級(jí)原型在國(guó)產(chǎn)X86高端通用處理器、國(guó)產(chǎn)GPU眾核加速器、6D-Torus交換系統(tǒng)、全浸式相變冷卻技術(shù)、超融合自適應(yīng)集群操作系統(tǒng)等方面取得了突破。

2 面向戰(zhàn)略需求，政府大力發(fā)展超算技術(shù)與隊(duì)伍

計(jì)算機(jī)自發(fā)明起，就成了各國(guó)戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，并獲得政府大量投入。超算由于其公共品的屬性和巨大的資金需求，在各國(guó)發(fā)展中均以政府投資為主。以美國(guó)政府為例，他們的目標(biāo)是使其計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)在全球占據(jù)和保持領(lǐng)先地位。因此，美國(guó)政府不僅對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)和基礎(chǔ)研究投入了大量資金，還對(duì)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的應(yīng)用和推廣投入了大量資金[5]。

日本扶持電子計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)可以追溯到20世紀(jì)50至70年代日本政府頒布一系列法令給予通產(chǎn)省充分權(quán)利促進(jìn)電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展[6]。正是政府不懈努力，使得日本計(jì)算機(jī)和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)得以發(fā)展，趕超歐洲。

世界銀行增長(zhǎng)委員會(huì)，對(duì)世界經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)研究發(fā)現(xiàn)，第二次世界大戰(zhàn)以后成功的國(guó)家或地區(qū)非常少，當(dāng)中最顯著的有13個(gè)經(jīng)濟(jì)體，他們?nèi)〉妹磕?%以上的增長(zhǎng)，持續(xù)25年或更長(zhǎng)時(shí)間的增長(zhǎng)。這13個(gè)經(jīng)濟(jì)體有5個(gè)特征，一是開放經(jīng)濟(jì)，二是宏觀環(huán)境穩(wěn)定，三是持續(xù)高投資，四是有效的市場(chǎng)，五是積極有為的政府[7]。研究[8]認(rèn)為，政府在創(chuàng)新系統(tǒng)中的作用一直被低估，為此提出一個(gè)新的框架來評(píng)估在創(chuàng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中政府的作用。

2.1 向量機(jī)時(shí)代，政府布局實(shí)現(xiàn)超算零的突破

超算是計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的龍頭，自然得到政府的高度重視。在1978年到1990年之間，我國(guó)研制超級(jí)計(jì)算機(jī)主要考慮國(guó)家戰(zhàn)略需求，如石油勘探、氣象預(yù)測(cè)、軍事應(yīng)用等領(lǐng)域?qū)τ?jì)算能力的需求。但是在此階段，受國(guó)家財(cái)政能力限制和其他因素的考慮，國(guó)家層面沒有體系化的國(guó)家超算計(jì)劃或者連續(xù)的工程項(xiàng)目，主要是結(jié)合技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和實(shí)際用戶應(yīng)用需要，每個(gè)項(xiàng)目逐一論證上馬。在立項(xiàng)過程中，各部門均相對(duì)謹(jǐn)慎，沒有一味地給科研單位“開綠燈”，并給予寬松的經(jīng)費(fèi)支持，因此項(xiàng)目之間間隔周期長(zhǎng)。在國(guó)外技術(shù)限制放寬后，有關(guān)部門在直接購買外國(guó)設(shè)備和自行研制之間也進(jìn)行謹(jǐn)慎的權(quán)衡，通過采取“業(yè)務(wù)主機(jī)”與“備份主機(jī)”的“競(jìng)爭(zhēng)上崗”等模式，為國(guó)內(nèi)項(xiàng)目承擔(dān)團(tuán)隊(duì)提供了技術(shù)積累和追趕的機(jī)會(huì)，同時(shí)對(duì)科研團(tuán)隊(duì)提出了更高的技術(shù)指標(biāo)要求和研制時(shí)效的要求。

CRAY-1超級(jí)計(jì)算機(jī)1975年誕生于美國(guó)。CRAY-1開啟了向量計(jì)算機(jī)時(shí)代。向量計(jì)算機(jī)的運(yùn)算就像數(shù)組運(yùn)算，一條指令就可以處理整個(gè)向量，效率非常高。1978年,鄧小平同志親自決策，將研制億次超級(jí)計(jì)算機(jī)的任務(wù)交給了國(guó)防科技大學(xué)。

要研制超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，必須解決四大難題：一是體系結(jié)構(gòu)，二是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的基本器件，三是工藝技術(shù)，四是軟件系統(tǒng)。當(dāng)時(shí)，國(guó)外封鎖技術(shù),專業(yè)技術(shù)人才奇缺,國(guó)產(chǎn)元器件落后的情況下，研制國(guó)產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)似乎是不可能完成的任務(wù)。國(guó)防科大科研團(tuán)隊(duì)在十分艱苦的條件下，通過5年的努力，攻克了數(shù)以百計(jì)的理論、技術(shù)和工藝難關(guān)后，1983年12月，我國(guó)第一臺(tái)億次超級(jí)計(jì)算機(jī)——“銀河-Ⅰ”研制成功，并通過國(guó)家技術(shù)鑒定，中國(guó)成為繼美國(guó)、日本后第三個(gè)能夠設(shè)計(jì)和制造超級(jí)計(jì)算機(jī)的國(guó)家。

完成“銀河-Ⅰ”系統(tǒng)后，國(guó)家有關(guān)部門并沒有下達(dá)研制更高運(yùn)算速度的超級(jí)計(jì)算機(jī)的任務(wù)。一方面國(guó)家財(cái)力有限，諸多科研領(lǐng)域都有待國(guó)家經(jīng)費(fèi)支持；另一方面，科學(xué)技術(shù)整體水平落后，對(duì)超算沒有強(qiáng)烈的應(yīng)用需求。一直到1988年3月正式簽訂合同，國(guó)防科技大學(xué)的團(tuán)隊(duì)開始“銀河-Ⅱ”10億次計(jì)算機(jī)的研制?！般y河-Ⅱ”面臨的直接技術(shù)難題是當(dāng)時(shí)國(guó)際上沒有可用于科學(xué)計(jì)算的高性能64位微處理器，只能用市場(chǎng)通用的中小規(guī)模通用集成電路自己設(shè)計(jì)“銀河-Ⅱ”計(jì)算機(jī)的核心處理部件。

2.2 大規(guī)模并行處理時(shí)代，政府布局技術(shù)與市場(chǎng)的結(jié)合

無論是中國(guó)“銀河-Ⅰ”“銀河-Ⅱ”，還是國(guó)際上最早的超級(jí)計(jì)算機(jī)，都是向量計(jì)算機(jī)，例如CARY-1，CARY-2。一直到20世紀(jì)90年代初期，向量機(jī)一直占據(jù)了高性能計(jì)算機(jī)的統(tǒng)治地位。但是由于向量化的程序設(shè)計(jì)，需要對(duì)領(lǐng)域問題進(jìn)行向量化建模，難度很大。應(yīng)用十分不方便，加之全定制處理器高昂的成本，導(dǎo)致向量機(jī)發(fā)展遇到了瓶頸，難以擴(kuò)展。

為了解決大規(guī)模擴(kuò)展的問題，國(guó)際上出現(xiàn)了大規(guī)模并行處理(Massively Parallel Processor, MPP)體系結(jié)構(gòu)。MPP結(jié)構(gòu)可以擴(kuò)展到幾十萬個(gè)節(jié)點(diǎn)。在MPP體系結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)一般根據(jù)任務(wù)，分為計(jì)算節(jié)點(diǎn)、服務(wù)節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)、I/O節(jié)點(diǎn)，等等。計(jì)算節(jié)點(diǎn)和服務(wù)節(jié)點(diǎn)是最主要的。計(jì)算節(jié)點(diǎn)主要提供計(jì)算能力，一般運(yùn)行輕量級(jí)、定制的操作系統(tǒng)，使節(jié)點(diǎn)能力最大可能用于計(jì)算，后期發(fā)展的各類加速器，實(shí)際上就是從硬件上進(jìn)一步優(yōu)化計(jì)算節(jié)點(diǎn)。而服務(wù)節(jié)點(diǎn)一般運(yùn)行完整的操作系統(tǒng)，管理整個(gè)超算系統(tǒng)，為計(jì)算節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)等提供文件系統(tǒng)、任務(wù)管理和I/O等服務(wù)。MPP的節(jié)點(diǎn)之間一般采用多種高速網(wǎng)絡(luò)互連。多種網(wǎng)絡(luò)面向不同的通信需求，例如連接計(jì)算節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)，一般是研制機(jī)構(gòu)的私有協(xié)議，或者私有技術(shù)規(guī)范，需要專用部件，構(gòu)建和維護(hù)成本較高。執(zhí)行運(yùn)行維護(hù)控制任務(wù)的控制網(wǎng)絡(luò)，一般采用通用以太網(wǎng)技術(shù)作為基礎(chǔ)，比較成熟。存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)任務(wù)一般采用商用流行的技術(shù)，保證計(jì)算節(jié)點(diǎn)、內(nèi)部存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)、外部大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)(一般是第三方提供)，能夠很好地互聯(lián)、互通、互操作。

在“銀河-Ⅱ”完成后，經(jīng)過2～3年的立項(xiàng)，國(guó)防科技大學(xué)采用MPP體系結(jié)構(gòu)，完成了每秒30億次的“銀河-Ⅲ”超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以及后來更高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的研制。通過“銀河”系列超算系統(tǒng)的研制，國(guó)內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)萬億次計(jì)算能力。國(guó)防科技大學(xué)“銀河”超算團(tuán)隊(duì)技術(shù)能力和團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新能力得到進(jìn)一步加強(qiáng)。

除了國(guó)防科技大學(xué)的團(tuán)隊(duì)外，同期，國(guó)內(nèi)另外兩個(gè)超算團(tuán)隊(duì)也不斷發(fā)展壯大。

第二個(gè)超算團(tuán)隊(duì)是中科曙光團(tuán)隊(duì)。1990年3月，在863計(jì)劃的支持下，國(guó)家智能計(jì)算機(jī)研究開發(fā)中心在中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所成立，開展超算的基礎(chǔ)理論創(chuàng)新、關(guān)鍵技術(shù)突破和超算應(yīng)用推廣。該團(tuán)隊(duì)在1993年研制成功了“曙光一號(hào)”，1995研制成功了“曙光1000”。1995年成立曙光公司(全稱曙光信息產(chǎn)業(yè)有限公司)，由中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所等單位出資。中科院計(jì)算所的出資中包含2 000 萬人民幣的“曙光一號(hào)”知識(shí)產(chǎn)權(quán)等無形資產(chǎn)。中科院計(jì)算所成為曙光公司的技術(shù)基地。曙光每年將部分銷售收入用于研發(fā)投入。因此這是中國(guó)超算技術(shù)與市場(chǎng)結(jié)合的起點(diǎn)。為敘述方便，本文后面不再區(qū)分上述兩個(gè)實(shí)體，統(tǒng)稱為中科曙光。在超算技術(shù)產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)中，中科曙光做出突破性和系統(tǒng)性的貢獻(xiàn)，形成了曙光超算團(tuán)隊(duì)。

第三個(gè)團(tuán)隊(duì)是基于江南計(jì)算所的神威超算團(tuán)隊(duì)。該團(tuán)隊(duì)通過多代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研制，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程等方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。“神威一號(hào)”高性能計(jì)算機(jī)于1999年8月問世，峰值運(yùn)行速度為每秒3 840億次，位列當(dāng)時(shí)TOP500高性能計(jì)算機(jī)中排名第48位。神威團(tuán)隊(duì)提出了以平面格柵網(wǎng)為基礎(chǔ)的“分布共享存儲(chǔ)器大規(guī)模并行結(jié)構(gòu)”的總體方案，以三維格柵網(wǎng)為基礎(chǔ)的可擴(kuò)展共享存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)和消息傳送機(jī)制相結(jié)合等技術(shù)，提出循環(huán)水冷卻、分布式盤陣、透明的保留恢復(fù)、高密度組裝等創(chuàng)新構(gòu)想。“神威一號(hào)”計(jì)算機(jī)先后安裝在北京高性能計(jì)算機(jī)應(yīng)用中心和上海超算中心。為氣象氣候、石油物探、生命科學(xué)、航空航天、材料工程、環(huán)境科學(xué)和基礎(chǔ)科學(xué)等領(lǐng)域提供了不可缺少的高端計(jì)算工具，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)研究發(fā)揮了重要的作用。

在這一階段內(nèi)，“銀河”“曙光”和“神威”三個(gè)超算團(tuán)隊(duì)分別從不同的、但相對(duì)固定的渠道，獲得了有限的科研經(jīng)費(fèi)。三個(gè)團(tuán)隊(duì)獲得的資金支持力度存在差異，最終成果的服務(wù)對(duì)象偶有交集，技術(shù)發(fā)展方向各具特色。

2.3 互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，政府全方位布局超算支持計(jì)劃

在《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020 年)》指導(dǎo)下，國(guó)家863 計(jì)劃連續(xù)設(shè)立重點(diǎn)項(xiàng)目，“高效能計(jì)算機(jī)及網(wǎng)格服務(wù)環(huán)境”重大專項(xiàng)、“高端容錯(cuò)計(jì)算機(jī)”和“高效能計(jì)算機(jī)及應(yīng)用服務(wù)環(huán)境”三個(gè)項(xiàng)目等。第一個(gè)項(xiàng)目強(qiáng)調(diào)計(jì)算性能、開發(fā)的效率、程序可移植性、系統(tǒng)的魯棒性等，強(qiáng)調(diào)機(jī)器、環(huán)境、應(yīng)用三位一體的發(fā)展。第二個(gè)項(xiàng)目立足攻關(guān)關(guān)鍵領(lǐng)域的高可靠服務(wù)器。第三個(gè)項(xiàng)目強(qiáng)調(diào)超算系統(tǒng)應(yīng)用，探索新的超算環(huán)境運(yùn)行模式和管理機(jī)制，探索建立計(jì)算服務(wù)業(yè)的發(fā)展途徑。

“十一五”初期，863計(jì)劃通過競(jìng)爭(zhēng)擇優(yōu)方式，啟動(dòng)了三套千萬億次計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的研制，三個(gè)研發(fā)團(tuán)體分別是國(guó)防科技大學(xué)和天津市政府、中科院計(jì)算所和深圳市政府、江南計(jì)算所和濟(jì)南市政府，每個(gè)組合均實(shí)現(xiàn)了跨越省級(jí)行政區(qū)的配對(duì)。最終研制了三套千萬億次級(jí)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

國(guó)防科大研制的千萬億次系統(tǒng)——“天河一號(hào)”，理論峰值是每秒1 206萬億次，實(shí)測(cè)計(jì)算速度峰值是每秒563.1萬億次。2009年11月，排名亞洲第一。 隨后一年，“天河一號(hào)” 的升級(jí)版本“天河一號(hào)A”研制成功，采用 Intel多核處理器和Nvidia GPU組成的異構(gòu)體系結(jié)構(gòu)，實(shí)測(cè)計(jì)算速度峰值達(dá)到2 566萬億次，在2010年11月世界TOP500排名中位列第一。

2010年，中科院計(jì)算所的千萬億次系統(tǒng)“曙光 6000”研制成功，由計(jì)算分區(qū)和服務(wù)分區(qū)組成的異構(gòu)系統(tǒng)。計(jì)算分區(qū)采用計(jì)算所提出的超并行體系結(jié)構(gòu)，是一種改進(jìn)型的星群結(jié)構(gòu)。目前多數(shù)應(yīng)用是面向Intel X86指令集。由于龍芯的指令集和X86 指令集不一樣，所以需要解決兼容性問題。中科曙光采用的辦法是，在超節(jié)點(diǎn)的X86 CPU中運(yùn)行操作系統(tǒng)，編譯和應(yīng)用任務(wù)。用戶先提交給 X86 CPU，再由硬件支持的二進(jìn)制翻譯，將計(jì)算任務(wù)分配到龍芯處理器上運(yùn)行。曙光星云作為“曙光 6000”的計(jì)算分區(qū)，理論計(jì)算峰值2 984.3 萬億次，實(shí)測(cè)峰值1 271.0萬億次，在 2010 年6月份的世界 TOP500 排名中排名第二。

2011 年11月，第三臺(tái)千萬億次高效能計(jì)算機(jī)“神威藍(lán)光”研制成功，并安裝在國(guó)家超算濟(jì)南中心。

“十二五”期間，863計(jì)劃通過重大項(xiàng)目“高效能計(jì)算機(jī)及應(yīng)用服務(wù)環(huán)境”，研制世界領(lǐng)先的計(jì)算系統(tǒng)，包括“天河二號(hào)”“神威·太湖之光”兩個(gè)系統(tǒng)。如前所述，這兩個(gè)系統(tǒng)將我國(guó)超算技術(shù)推上新高度，實(shí)現(xiàn)超算技術(shù)崛起。863重大項(xiàng)目同時(shí)強(qiáng)調(diào)超算環(huán)境新的運(yùn)行模式和機(jī)制，探索建立計(jì)算服務(wù)業(yè)的途徑，并積極發(fā)展超算應(yīng)用社區(qū)，更好地支持超算應(yīng)用發(fā)展。

2016年《國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略綱要》中提出，發(fā)展新一代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，加強(qiáng)類人智能等技術(shù)研究，推動(dòng)云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、高性能計(jì)算等技術(shù)研發(fā)與綜合應(yīng)用。同年，《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》明確提出要發(fā)展高性能計(jì)算，突破 E 級(jí)計(jì)算機(jī)核心技術(shù)，依托自主可控技術(shù)，研制滿足應(yīng)用需求的 E級(jí)高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，使我國(guó)高性能計(jì)算機(jī)的性能在“十三五”期間保持世界領(lǐng)先水平。在國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃指導(dǎo)下，經(jīng)過戰(zhàn)略研究及論證，正式啟動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“高性能計(jì)算”研發(fā)專項(xiàng)。

根據(jù)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的項(xiàng)目規(guī)劃，我國(guó)在2020年推出首臺(tái)E級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)器。通過競(jìng)爭(zhēng)，天河超算團(tuán)隊(duì)、神威超算團(tuán)隊(duì)和曙光超算團(tuán)隊(duì)獲得該項(xiàng)任務(wù)，并都已完成了原型機(jī)研制和驗(yàn)收。

在E級(jí)計(jì)算上，我國(guó)面臨強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)壓力。美國(guó)能源部在2017年啟動(dòng)E級(jí)計(jì)算項(xiàng)目，首臺(tái)機(jī)器“極光”預(yù)計(jì)2021年交付，2018年又要求在2021—2023年再完成兩臺(tái)E級(jí)超算系統(tǒng)。日本的相關(guān)項(xiàng)目由日本理化所主導(dǎo)，原計(jì)劃完成時(shí)間為2020年。歐洲高性能計(jì)算聯(lián)合執(zhí)行體(EuroHPC)于2019年啟動(dòng)相關(guān)工作，資助歐洲的超算研究和創(chuàng)新，重點(diǎn)支持百億億次系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)、超算應(yīng)用平臺(tái)等研發(fā)。

2.4 發(fā)展模式小結(jié)

我國(guó)超算從計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)代開始，起步于氣象、石油等戰(zhàn)略性領(lǐng)域的計(jì)算需求。即使在國(guó)家科研經(jīng)費(fèi)十分有限的情況下，國(guó)家依然面對(duì)戰(zhàn)略需求，支持超算研究，培養(yǎng)超算技術(shù)、人才和團(tuán)隊(duì)。在此條件下，形成了“銀河/天河”超算團(tuán)隊(duì)、“曙光”超算團(tuán)隊(duì)和“神威”超算團(tuán)隊(duì)，培養(yǎng)了三個(gè)后來競(jìng)爭(zhēng)格局下同臺(tái)競(jìng)技的強(qiáng)勁對(duì)手。進(jìn)入21世紀(jì)，政府開始全方位主導(dǎo)超算的戰(zhàn)略發(fā)展，制訂連續(xù)的超算科研支持計(jì)劃，全面支持超算發(fā)展，形成厚實(shí)的技術(shù)、人才、團(tuán)隊(duì)的積蓄。因此，對(duì)于戰(zhàn)略性高技術(shù)領(lǐng)域，需要盡早進(jìn)入，通過國(guó)家任務(wù)牽引，積累技術(shù)、人才，形成國(guó)家隊(duì)，通過技術(shù)轉(zhuǎn)移、技術(shù)溢出、人才溢出等效應(yīng)，為該領(lǐng)域的騰飛奠定基礎(chǔ)，在適當(dāng)時(shí)候，通過適當(dāng)機(jī)制，促進(jìn)該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)跨越。既不能好高騖遠(yuǎn)，也不能束手束腳。

3 面向科技創(chuàng)新戰(zhàn)略，政府積極倡導(dǎo)超算基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)必須依靠國(guó)家。“算力”是信息時(shí)代的重要能力，也是支持科學(xué)計(jì)算、大規(guī)模數(shù)據(jù)處理、人工智能、大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。但是超算基礎(chǔ)設(shè)施投入太大，周期太長(zhǎng)，風(fēng)險(xiǎn)太高，企業(yè)家是不愿意投入的，只能由政府投入。但是，政府可以支配的經(jīng)費(fèi)是有限度的，需要對(duì)財(cái)政資源進(jìn)行配置。政府的資源配置希望有利于產(chǎn)業(yè)發(fā)展，有利于經(jīng)濟(jì)發(fā)展。美國(guó)或者其他發(fā)達(dá)國(guó)家都采取這種措施，政府在科研研發(fā)上的投入，有的占整個(gè)投入的80%以上，最少的也占25%。政府主導(dǎo)超算基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，實(shí)際上也是產(chǎn)業(yè)政策的一部分。專家也建議希望政府構(gòu)建完整的生態(tài)環(huán)境[9]。

3.1 美日歐的超算基礎(chǔ)設(shè)施管理模式

美國(guó)是高性能計(jì)算的霸主，美國(guó)的超算研究一貫是由國(guó)家主導(dǎo)。美國(guó)能源部和美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(National Science Foundation, NSF)是超算投入的主體。各超算中心有著相對(duì)持續(xù)穩(wěn)定的經(jīng)費(fèi)保障，在經(jīng)營(yíng)方面采用“政府所有，承包商運(yùn)行”(Government Owned，Contractor-Operated, GOCO)的方式，通過引入承包商等方式，形成競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境。從運(yùn)營(yíng)上，一般情況下，科研機(jī)構(gòu)、大學(xué)用戶以及政府支持的特定項(xiàng)目用戶可免費(fèi)使用，而其他商業(yè)用戶則要收費(fèi)。

在國(guó)家層面，從20世紀(jì) 70 年代起，美國(guó)一直通過國(guó)家計(jì)劃推動(dòng)計(jì)算科學(xué)發(fā)展，至少包括“戰(zhàn)略計(jì)算機(jī)計(jì)劃”“高性能計(jì)算和通信計(jì)劃”“加速戰(zhàn)略計(jì)算計(jì)劃”，以及“先進(jìn)計(jì)算設(shè)施伙伴計(jì)劃”等。2015 年 7 月奧巴馬總統(tǒng)簽署行政命令，要求創(chuàng)建“國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)算計(jì)劃”，目的是使高性能計(jì)算的研究開發(fā)與部署，能夠更多地用于科學(xué)發(fā)現(xiàn)與經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)。

在美國(guó)能源部管轄的實(shí)驗(yàn)室中，至少有6個(gè)擁有世界級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)室，包括勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和田納西大學(xué)等。這些實(shí)驗(yàn)室在超級(jí)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)需求設(shè)計(jì)、應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)、運(yùn)行維護(hù)等方面的能力和經(jīng)驗(yàn)是世界上最先進(jìn)的。盡管國(guó)家實(shí)驗(yàn)室委托大學(xué)和企業(yè)管理，但研究開發(fā)經(jīng)費(fèi)80%以上來自能源部，這也反映出實(shí)驗(yàn)室的主要任務(wù)是能源部支持的長(zhǎng)期的、前沿的、高風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)性和應(yīng)用研究。

美國(guó)超算的另一個(gè)主要投資主體——NSF，從20世紀(jì) 80 年代中期開始，為全美國(guó)大學(xué)及政府機(jī)構(gòu)建立了 6 個(gè)超級(jí)計(jì)算機(jī)中心。NSF正在推行一項(xiàng) 5 年 12 億美元的極限科學(xué)與工程探索環(huán)境，旨在建設(shè)統(tǒng)一的虛擬系統(tǒng)，使得世界各地的科學(xué)家，可以通過系統(tǒng)來共享計(jì)算資源、數(shù)據(jù)和專業(yè)知識(shí)。通過多學(xué)科合作，以應(yīng)對(duì)社會(huì)的巨大挑戰(zhàn)。

日本也是超算強(qiáng)國(guó)之一。20世紀(jì)80年代中期，日本研發(fā)的超級(jí)計(jì)算機(jī)在性能方面就屢次超越美國(guó)、富士通和NEC等制造的向量機(jī)，甚至一度“傾銷”美國(guó)本土。1993年6月的TOP500中，日本制造的超級(jí)計(jì)算機(jī)占21%。在投資模式上，日本也采取由國(guó)家投資,科研院所、大學(xué)以及企業(yè)承擔(dān)研制的方式。20世紀(jì)80年代后期，日本將很多精力投入研制第五代計(jì)算機(jī)(人工智能計(jì)算機(jī))。由于工程失敗，也使得日本計(jì)算機(jī)發(fā)展一度陷入低迷，到2020年11月TOP500中僅占7%。但日本的向量處理方法一直有很明顯的優(yōu)勢(shì)，國(guó)產(chǎn)CPU的能力也很強(qiáng)，富士通公司為日本理化研究所(理研)研制的K就是非常有特色的代表。在節(jié)能技術(shù)上，仍保持世界領(lǐng)先水平，尤以兩次問鼎Green500的東京工業(yè)大學(xué)TSUBAME-KFC為代表。同時(shí)，日本在超算的應(yīng)用，如地震預(yù)測(cè)、天氣預(yù)報(bào)、汽車、材料等高性能計(jì)算方面具有較大優(yōu)勢(shì)，2011—2012年連續(xù)蟬聯(lián)兩屆ACM“戈登·貝爾”獎(jiǎng)。2020年6月，日本的“富岳”系統(tǒng)重登TOP500榜首。

歐洲多國(guó)超算中心經(jīng)過長(zhǎng)期的探索發(fā)展，已成為世界高性能計(jì)算領(lǐng)域非常重要的力量之一。2017年6月瑞士Piz Daint，TOP500排名第三，峰值2億億次，是歐洲非常好的成績(jī)。歐洲信息大型公司ATOS是歐洲超算研制的重要力量，還為印度等提供超算技術(shù)。ATOS和Intel等聯(lián)合研制的Tera100, 計(jì)算能力11 970萬億次，安裝在法國(guó)，Tera100于 2018年6月躋身TOP500第14位，2019年11月則是第17位。2015年11月德國(guó)Hazel Hen, 峰值7 400萬億次，TOP500排名第8。經(jīng)過多年的積累和實(shí)踐，各超算中心也形成了較為成熟、多樣的運(yùn)營(yíng)方式。例如，芬蘭科學(xué)計(jì)算中心，成立于1970年，每年會(huì)得到中央政府機(jī)構(gòu)5 000 萬美元的資助經(jīng)費(fèi)，項(xiàng)目則來自教育部和其他合作項(xiàng)目。芬蘭政府通過從芬蘭科學(xué)計(jì)算中心購買計(jì)算資源的方式，提供經(jīng)費(fèi)，并把計(jì)算資源免費(fèi)提供給芬蘭的大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)使用。德國(guó)斯圖加特高性能計(jì)算中心，成立于1962年，地方、聯(lián)邦政府資助員工薪水，斯圖加特大學(xué)全額承擔(dān)能源消耗方面的支出。

3.2 中國(guó)政府主導(dǎo)建設(shè)國(guó)家網(wǎng)絡(luò)計(jì)算環(huán)境，構(gòu)建國(guó)家超算能力

超算中心可以為一定區(qū)域服務(wù)，國(guó)家網(wǎng)絡(luò)計(jì)算環(huán)境則是在更高層次上和更大的應(yīng)用范圍，聚合超算資源，實(shí)現(xiàn)資源共享。國(guó)家網(wǎng)絡(luò)計(jì)算環(huán)境可以分為三個(gè)階段[10]。第一個(gè)階段是國(guó)家高性能計(jì)算中心階段。為了更好地推進(jìn)高性能計(jì)算機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，國(guó)家科技部于 1995 年成立了第一個(gè)國(guó)家高性能計(jì)算中心。后來在北京、上海、武漢、合肥、成都、杭州、西安等地建立了多個(gè)國(guó)家高性能計(jì)算中心，配置了國(guó)產(chǎn)的高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。國(guó)家高性能計(jì)算中心不僅在早期的高性能計(jì)算應(yīng)用開發(fā)中發(fā)揮了重要作用，也為后來國(guó)家網(wǎng)格建設(shè)、國(guó)家超算中心建設(shè)，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。

第二個(gè)階段是國(guó)家網(wǎng)格計(jì)算階段。2000年前后，在863“國(guó)家高性能計(jì)算環(huán)境”項(xiàng)目支持下，建立了由5個(gè)超算中心構(gòu)成的國(guó)家高性能計(jì)算環(huán)境，形成中國(guó)網(wǎng)格的雛形。后續(xù)通過“中國(guó)國(guó)家網(wǎng)格”“中國(guó)空間信息網(wǎng)格”“高效能計(jì)算機(jī)和網(wǎng)格服務(wù)環(huán)境”等國(guó)家863項(xiàng)目；“中國(guó)網(wǎng)格”等教育部項(xiàng)目；“中國(guó)科學(xué)網(wǎng)格”等國(guó)家基金委項(xiàng)目不斷擴(kuò)展。中國(guó)國(guó)家網(wǎng)格由 863計(jì)劃 “高性能計(jì)算機(jī)及其核心軟件”支持，一期建設(shè)從2002至2005年，二期建設(shè)周期從2006年至2010年12月底。中國(guó)教育科研網(wǎng)格由教育部“十五”211 工程的公共服務(wù)體系建設(shè)重大專項(xiàng)提供支持。

第三個(gè)階段是國(guó)家網(wǎng)格與國(guó)家超算中心融合階段?！丁笆濉眹?guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》提出“研發(fā)一批關(guān)鍵領(lǐng)域/行業(yè)的高性能計(jì)算應(yīng)用軟件，建立若干高性能計(jì)算應(yīng)用軟件中心，構(gòu)建高性能計(jì)算應(yīng)用生態(tài)環(huán)境。建立具有世界一流資源能力和服務(wù)水平的國(guó)家高性能計(jì)算環(huán)境，促進(jìn)我國(guó)計(jì)算服務(wù)業(yè)發(fā)展”。2016年啟動(dòng)的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“高性能計(jì)算”目標(biāo)之一是建立具有世界一流資源能力和服務(wù)水平的國(guó)家高性能計(jì)算環(huán)境，促進(jìn)我國(guó)計(jì)算服務(wù)業(yè)發(fā)展。通過國(guó)家網(wǎng)絡(luò)計(jì)算環(huán)境建設(shè)，將全國(guó)6大國(guó)家超算中心，以及部分省市提供的超算資源，融合為國(guó)家超算環(huán)境以及全國(guó)科學(xué)技術(shù)研究提供超算資源。

根據(jù)國(guó)家高性能計(jì)算環(huán)境發(fā)展報(bào)告[10]，截至2018年底，共有19家超算中心加入中國(guó)國(guó)家網(wǎng)格，聚合計(jì)算資源超過200 000萬億次，總存儲(chǔ)資源超過 167 PB。中國(guó)超算廣泛應(yīng)用于氣象與氣候變化、新藥研發(fā)與生物信息、新材料、宇宙探索、航空航天和重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)等領(lǐng)域。2015—2017三年中，最大并行核數(shù)達(dá)300萬CPU核，其中12家超算中心達(dá)到千核規(guī)模應(yīng)用，6家超算中心達(dá)到萬核規(guī)模應(yīng)用，國(guó)家高性能計(jì)算環(huán)境的多數(shù)應(yīng)用已進(jìn)入千核規(guī)模。在科研教育應(yīng)用軟件方面，2017年國(guó)產(chǎn)超算軟件數(shù)目接近300個(gè)，比2015 年翻了一番多，這充分說明科技部及自然科學(xué)基金在應(yīng)用方面的投入取得了較好的成效。2017年企業(yè)的并行應(yīng)用軟件數(shù)量超過 200個(gè)，增長(zhǎng)非常迅速，是2015 年的4倍，這充分說明了企業(yè)需求強(qiáng)勁、國(guó)家和地方政府引導(dǎo)有力。通過國(guó)家網(wǎng)絡(luò)計(jì)算環(huán)境建設(shè)，使得我國(guó)超算能力得到進(jìn)一步加強(qiáng)。

3.3 發(fā)展模式小結(jié)

計(jì)算已經(jīng)成為繼理論、實(shí)驗(yàn)后的第三種科技創(chuàng)新范式。超算基礎(chǔ)設(shè)施既是科技創(chuàng)新的引擎，也是大科學(xué)、大工程和新產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，超級(jí)計(jì)算有廣闊的應(yīng)用前景。在國(guó)際超算競(jìng)爭(zhēng)格局日益激烈，超算應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬的情況下，市場(chǎng)規(guī)模不斷增大，但超算的投入也非常大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出企業(yè)或者地方政府的財(cái)政支撐能力。為此采用“中央政府+地方政府”聯(lián)合投資模式，保證了超算研制的持續(xù)性投入，保證超算基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型提供支持。這種聯(lián)合投資模式，可以推廣到其他大型科學(xué)設(shè)施建設(shè)中。

4 面向全面發(fā)展，高度重視應(yīng)用和市場(chǎng)雙翼作用

超級(jí)計(jì)算機(jī)和基礎(chǔ)設(shè)施是超算主體，超算應(yīng)用和超算市場(chǎng)是超算的雙翼。超算應(yīng)用取得了成功是超算領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展的基石，超算市場(chǎng)取得成功是超算技術(shù)研究、應(yīng)用和市場(chǎng)全面發(fā)展，形成正反饋必不可少的環(huán)節(jié)。

4.1 超算應(yīng)用蒸蒸日上，推動(dòng)超算良性發(fā)展

通過近十年的發(fā)展，我國(guó)超算應(yīng)用取得長(zhǎng)足進(jìn)步，特別是國(guó)家超算中心的發(fā)展，為我國(guó)超算注入了新動(dòng)力。各個(gè)超算中心都取得了豐碩的應(yīng)用成果。

廣州超算中心通過國(guó)家自然科學(xué)基金-廣東聯(lián)合基金超級(jí)計(jì)算科學(xué)應(yīng)用研究專項(xiàng)等，支持了大氣海洋環(huán)境、天文地球物理、新能源、新材料、大型工程仿真、生物醫(yī)藥健康、智慧城市與云計(jì)算等七大應(yīng)用領(lǐng)域。中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所的全球臺(tái)風(fēng)和海冰模擬與次季節(jié)系統(tǒng)，使用百萬核時(shí)開展預(yù)測(cè)試驗(yàn)，完成了總計(jì)五千年的穩(wěn)定積分。在臺(tái)風(fēng)模擬中，使用100千米水平分辨率，可較準(zhǔn)確地模擬我國(guó)西太平洋，乃至全球的臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生位置、臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑等。中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)完成在“天河二號(hào)”上成功部署了全世界最大的天文望遠(yuǎn)鏡SKA數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)，完成了1 000計(jì)算節(jié)點(diǎn)的大規(guī)模集成測(cè)試，檢驗(yàn)了軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，等等[11]。

國(guó)家超級(jí)計(jì)算天津中心累計(jì)支持國(guó)家科技重大專項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等重大項(xiàng)目超過1 600項(xiàng)，涉及經(jīng)費(fèi)超過20億，取得國(guó)家級(jí)、省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)成果以及發(fā)表在Nature、Science的成果超過2 000項(xiàng)。構(gòu)建了石油勘探、新材料、基因健康、工業(yè)設(shè)計(jì)與仿真、建筑與智慧城市等10余個(gè)專業(yè)化平臺(tái)，聚集行業(yè)企業(yè)超過3 000家。為近200家規(guī)模以上企業(yè)提供了高質(zhì)量創(chuàng)新服務(wù)，節(jié)省研發(fā)投入數(shù)億元?！疤旌右惶?hào)”實(shí)現(xiàn)了“算天”“算地”“算人”?！八闾臁笔侵钢С謿庀箢A(yù)報(bào)、宇宙和天文研究、國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)研發(fā)設(shè)計(jì)、運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)等；“算地”是指支持石油和天然氣勘探、地下油藏分析、地下礦產(chǎn)勘探等；“算人”是支持人類基因科學(xué)和工程、新藥研究等。例如完成“國(guó)產(chǎn)C919大飛機(jī)全工況全尺寸數(shù)值氣動(dòng)模擬”“神舟飛船全尺寸跨流域回收控制模擬”等；為國(guó)家重大海洋裝備、高鐵和汽車研發(fā)設(shè)計(jì)和重型裝備設(shè)計(jì)提供研發(fā)支撐等[12]。

國(guó)家超算長(zhǎng)沙中心、深圳中心、濟(jì)南中心、無錫中心，以及我國(guó)最早的地方政府持續(xù)支持的上海超算中心等，都在應(yīng)用領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展，極大地促進(jìn)了國(guó)家的大科學(xué)、大工程和科技創(chuàng)新發(fā)展。

雖然超算應(yīng)用取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，也取得了幾十萬核乃至百萬核的并行算法與軟件的重點(diǎn)突破，但是幾萬核以內(nèi)的應(yīng)用依然占多數(shù)，有專家認(rèn)為我國(guó)超算應(yīng)用軟件仍處于初級(jí)階段，需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

4.2 超算企業(yè)走出國(guó)門，開始進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)

企業(yè)是市場(chǎng)的主體力量，即使是超算這種高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，要取得市場(chǎng)成功、要取得產(chǎn)業(yè)成功，還得依靠企業(yè)。企業(yè)通過參與國(guó)家超算研制計(jì)劃，完成技術(shù)研究和技術(shù)創(chuàng)新，同時(shí)也在參與過程中，獲得技術(shù)溢出的好處。政府經(jīng)費(fèi)的投入也彌補(bǔ)了企業(yè)研發(fā)經(jīng)費(fèi)的不足。經(jīng)過近20年的奮斗，中國(guó)的企業(yè)在超算領(lǐng)域取得驕人業(yè)績(jī)。由于服務(wù)器技術(shù)與超算技術(shù)一脈相承。超算的CPU技術(shù)、互聯(lián)技術(shù)、系統(tǒng)軟件技術(shù)等都可以用于服務(wù)器。從中國(guó)實(shí)際發(fā)展看，也體現(xiàn)了服務(wù)器與超算的強(qiáng)關(guān)聯(lián)關(guān)系。以TOP500、中國(guó)TOP100等實(shí)證數(shù)據(jù)，進(jìn)行企業(yè)作為市場(chǎng)主體作用的分析。

2000年前，中國(guó)超算市場(chǎng)，基本上被國(guó)外所壟斷。圖 2是2002年至2009年，中國(guó)TOP100的計(jì)算機(jī)廠家情況，可以看出，一直到2009年，我國(guó)大多數(shù)超算系統(tǒng)都是國(guó)外進(jìn)口的，服務(wù)器市場(chǎng)也基本上是被國(guó)外品牌所壟斷。

注：2002年時(shí)，中國(guó)TOP100只有50臺(tái)機(jī)器，為了便于對(duì)比，本文將各廠家數(shù)據(jù)做了翻倍的處理。圖2 中國(guó)TOP100的機(jī)器分布情況Fig.2 Number of China TOP100 machine by manufacturer

中國(guó)制造的高性能計(jì)算機(jī)在運(yùn)行速度上一度超越美國(guó)，中國(guó)目前的機(jī)器總量超過美國(guó)，并不意味中國(guó)超算技術(shù)整體能力超過美國(guó)。在國(guó)防科技大學(xué)獲得TOP500排名第一時(shí)，國(guó)防科大專家指出，盡管“天河”系列性能做到世界第一，但是有三個(gè)沒變：一是西方國(guó)家在信息技術(shù)領(lǐng)域的巨大優(yōu)勢(shì)地位沒有變；二是美國(guó)在超級(jí)計(jì)算機(jī)的研制和應(yīng)用上的主導(dǎo)地位沒有變；三是世界各國(guó)在超級(jí)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域加大競(jìng)爭(zhēng)的態(tài)勢(shì)沒有變[13]。

事實(shí)也驗(yàn)證了上述判斷。國(guó)際TOP50機(jī)器安裝臺(tái)數(shù)和制造臺(tái)數(shù)如圖3～4所示。從圖3和圖4中可以看出，就國(guó)際TOP50(指TOP500的前50名)的中國(guó)、美國(guó)安裝機(jī)器臺(tái)數(shù)比較，無論是裝機(jī)臺(tái)數(shù)，還是制造臺(tái)數(shù)，美國(guó)仍然遙遙領(lǐng)先。截至2020年6月，TOP50內(nèi)中國(guó)安裝臺(tái)數(shù)和制造臺(tái)數(shù)沒有達(dá)到20%。與美國(guó)相比，相差甚遠(yuǎn)。即使與歐洲相比，中國(guó)的安裝機(jī)器臺(tái)數(shù)也有一定距離。

圖3 國(guó)際TOP50機(jī)器安裝臺(tái)數(shù)Fig.3 Number of TOP50 machines by install place

圖4 國(guó)際TOP50機(jī)器制造臺(tái)數(shù)Fig.4 Number of TOP50 machines by manufacture place

國(guó)際TOP10中部分地區(qū)機(jī)器安裝臺(tái)數(shù)和制造臺(tái)數(shù)如圖5～6所示。更為嚴(yán)格地，如果僅考慮最先進(jìn)的10臺(tái)設(shè)備，從圖 5和圖 6的 TOP10(指TOP500的前10名)部分地區(qū)數(shù)量來看，無論是安裝臺(tái)數(shù)還是制造臺(tái)數(shù)，美國(guó)都獨(dú)占鰲頭。

圖5 國(guó)際TOP10中部分地區(qū)機(jī)器安裝臺(tái)數(shù)Fig.5 Number of TOP10 machines by install place

圖6 國(guó)際TOP10中部分地區(qū)機(jī)器制造臺(tái)數(shù)Fig.6 Number of TOP10 machines by manufacture place

如果將TOP10、TOP50、TOP500的占比份額，分別按0.4、0.35和0.25進(jìn)行加權(quán)處理。因?yàn)閺某泐I(lǐng)域重要性看，安裝臺(tái)數(shù)體現(xiàn)應(yīng)用需求和水平，研制臺(tái)數(shù)體現(xiàn)研制能力和制造能力，都很重要。為此將安裝臺(tái)數(shù)和研制臺(tái)數(shù)的重要性同等看待?？梢缘玫綀D7結(jié)果。可以看出，美國(guó)綜合水平依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過中國(guó)、歐洲和日本。歐洲在過去十多年里，超算技術(shù)與應(yīng)用綜合發(fā)展十分穩(wěn)定。2002年6月日本研制的“地球模擬器”首次達(dá)到TOP500第一，持續(xù)5次，達(dá)兩年半，出現(xiàn)一個(gè)高點(diǎn)。從2011年6月開始至2016年6月中國(guó)、歐洲、日本的綜合水平相近。中國(guó)從2016年后綜合水平超過日本和歐洲。

圖7 全球超算技術(shù)與市場(chǎng)綜合評(píng)價(jià)Fig.7 Global evaluation of supercomputing tecnologyand market performance

中國(guó)整體超算實(shí)力在世界上取得了跨越式的發(fā)展，中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)在本土市場(chǎng)也有亮眼表現(xiàn)。圖 8是中國(guó)TOP100的情況。2010年，國(guó)內(nèi)制造機(jī)器數(shù)與國(guó)外制造機(jī)器數(shù)分別是49和51；2014年之后，國(guó)產(chǎn)超算系統(tǒng)占比超過80%；2019年達(dá)到100%。

圖8 中國(guó)TOP100機(jī)器的國(guó)內(nèi)外數(shù)量對(duì)比Fig.8 Number of China TOP100 machines by manufacture place

中國(guó)TOP100中主要公司的系統(tǒng)個(gè)數(shù)如表1所示。從品牌上來看，由表1可以看到，2002年之前，TOP100主要是國(guó)外的HP、IBM為主，后期就是中國(guó)的聯(lián)想、曙光和浪潮為主。中科曙光在1998年完成863項(xiàng)目——“曙光2000”可擴(kuò)展機(jī)群體系結(jié)構(gòu)的超級(jí)服務(wù)器，2001年完成863項(xiàng)目——“曙光3000”超級(jí)服務(wù)器后，從2005年開始，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)開始有突出表現(xiàn)。而浪潮在2012年完成“863計(jì)劃”容錯(cuò)服務(wù)器項(xiàng)目后，2014年開始有明顯起色?？梢钥闯觯瑥目蒲谐晒绞袌?chǎng)表現(xiàn)差不多是2～4年時(shí)間。

表1 中國(guó)TOP100中主要公司的系統(tǒng)個(gè)數(shù)Tab.1 Number of China TOP100 machines by manufacturer

4.3 發(fā)展模式小結(jié)

這個(gè)階段的模式可以小結(jié)為技術(shù)創(chuàng)新是破除市場(chǎng)進(jìn)入障礙和寡頭壟斷，實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)突破的重要途徑。中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，帶來了很多市場(chǎng)需求，要將市場(chǎng)需求轉(zhuǎn)化為國(guó)內(nèi)企業(yè)的技術(shù)機(jī)會(huì)和市場(chǎng)機(jī)會(huì)，需要破除國(guó)外企業(yè)在超算市場(chǎng)上的寡頭壟斷，具體而言，需要克服技術(shù)壁壘、用戶信心障礙、規(guī)模經(jīng)濟(jì)障礙等。

中國(guó)超算技術(shù)的發(fā)展為企業(yè)在市場(chǎng)上發(fā)揮主體作用提供了可能。旺盛的超算需求、向上的用戶信心和日益成熟的高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)，極大地促進(jìn)了中國(guó)高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展。信息化市場(chǎng)帶來技術(shù)機(jī)會(huì)，恰好與我國(guó)超算技術(shù)的突破形成了耦合。國(guó)防科大、中科院計(jì)算所、江南計(jì)算所三個(gè)科研院所，曙光、聯(lián)想、浪潮三個(gè)主要企業(yè)，以及后來的華為、新華三、比特大陸等，使得中國(guó)超算出現(xiàn)集群創(chuàng)新的格局。中國(guó)高性能計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)氛圍越來越濃，技術(shù)上不斷給用戶增強(qiáng)信心，用戶基數(shù)不斷增加，使得中國(guó)超算市場(chǎng)逐步突破并取得良好發(fā)展。

5 發(fā)展建議

中國(guó)超算在政府的強(qiáng)力推動(dòng)下，通過長(zhǎng)期的項(xiàng)目支持，逐步形成了若干超算研制國(guó)家隊(duì)，在廣大科研人員的不懈努力下，通過有序競(jìng)爭(zhēng)，克服了重重困難，走過了“跟跑”“并跑”階段，到了部分“領(lǐng)跑”階段。當(dāng)前，需要針對(duì)信息技術(shù)高速發(fā)展的特點(diǎn)，面向國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，繼續(xù)開展管理創(chuàng)新和科技創(chuàng)新，保持中國(guó)超算在世界第一梯隊(duì)的地位，為中國(guó)經(jīng)濟(jì)由高速增長(zhǎng)轉(zhuǎn)向高質(zhì)量增長(zhǎng)提供實(shí)踐模式。

5.1 重視超算領(lǐng)域的集群創(chuàng)新，構(gòu)建超算科研和產(chǎn)業(yè)生態(tài)

2020年3月，中共中央國(guó)務(wù)院發(fā)布“關(guān)于構(gòu)建更加完善的要素市場(chǎng)化配置體制機(jī)制的意見”，提出要加快發(fā)展技術(shù)要素市場(chǎng)，完善科技創(chuàng)新資源配置方式。改革科研項(xiàng)目立項(xiàng)和組織實(shí)施方式，堅(jiān)持目標(biāo)引領(lǐng)，強(qiáng)化成果導(dǎo)向，建立健全多元化支持機(jī)制等。

我國(guó)超算取得輝煌成績(jī)，但產(chǎn)業(yè)生態(tài)還比較薄弱，尚未建立以要素市場(chǎng)化原則配置資源的機(jī)制?？蒲泻彤a(chǎn)業(yè)生態(tài)包括基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、中試產(chǎn)品研發(fā)、上市產(chǎn)品生產(chǎn)、應(yīng)用推廣等環(huán)節(jié)。中國(guó)超算已經(jīng)聚集了我國(guó)大學(xué)、研究院所、企業(yè)等多方面人才。從研制超級(jí)計(jì)算機(jī)的核心科研院所團(tuán)隊(duì)，到中科曙光、浪潮信息等上市企業(yè)，從10多個(gè)超算中心，到超算應(yīng)用單位等，從業(yè)人員數(shù)萬人，形成了一個(gè)“超算虛擬硅谷”。雖然不在同一個(gè)高新區(qū)或者產(chǎn)業(yè)園內(nèi)部，可以利用創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)的鄰近性正在不斷減弱的趨勢(shì)，在“超算虛擬硅谷”已經(jīng)具備技術(shù)、勞動(dòng)力、數(shù)據(jù)等市場(chǎng)要素的基礎(chǔ)上，合理引導(dǎo)資本等市場(chǎng)要素參與，彌補(bǔ)超算產(chǎn)業(yè)資本要素非常薄弱的缺陷，形成一個(gè)市場(chǎng)要素比較齊全的集群創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)群，加強(qiáng)內(nèi)部的知識(shí)和技術(shù)轉(zhuǎn)移，讓知識(shí)創(chuàng)造、知識(shí)轉(zhuǎn)移、知識(shí)傳播、知識(shí)擴(kuò)散在“超算虛擬硅谷”形成常態(tài)，充分利用高等院校更加開放的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)更高效的知識(shí)轉(zhuǎn)移，提高技術(shù)研發(fā)成功率，為國(guó)家實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新能力提升，實(shí)現(xiàn)科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)提供樣板。真正轉(zhuǎn)化成市場(chǎng)上的產(chǎn)品，以真正形成科研和產(chǎn)業(yè)的良性互動(dòng)。

5.2 持續(xù)增強(qiáng)超算的全方位能力，促進(jìn)超算可持續(xù)發(fā)展

計(jì)算機(jī)應(yīng)用近些年取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。但是，我國(guó)EDA等工程和工具軟件，大型領(lǐng)域應(yīng)用軟件等主要依靠進(jìn)口。超算應(yīng)用不僅需要高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，同時(shí)也需要很好的應(yīng)用軟件，以及配套的計(jì)算環(huán)境。例如，復(fù)雜的科學(xué)計(jì)算，必須依然可視化系統(tǒng)，幫助應(yīng)用領(lǐng)域科學(xué)家理解計(jì)算結(jié)果等。根據(jù)2018年“全球最具應(yīng)用影響力超算中心”，我國(guó)僅有廣州超算中心位列第五。美國(guó)有七家進(jìn)入，前四名全部來自美國(guó)，日本位列第六和第九，德國(guó)位列第八。

研究[14]認(rèn)為，我國(guó)的超算經(jīng)費(fèi)中用于應(yīng)用軟件開發(fā)的還不到 10%，美國(guó)相應(yīng)的投入資金約為中國(guó)的 6 倍。當(dāng)前TOP500排名第二的Summit 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在交付之前，美國(guó)能源部成立了 25 個(gè)應(yīng)用軟件研發(fā)小組，設(shè)計(jì)能夠利用E級(jí)計(jì)算機(jī)的軟件。因此需要加強(qiáng)應(yīng)用投入，并盡快彌補(bǔ)軟件算法和工具軟件等超算短板，特別是在中美貿(mào)易摩擦升級(jí)的背景下，更需要加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，加強(qiáng)算法庫、工具庫的研究。

美國(guó)從2018春季到2019年秋季重登TOP500榜首4次。美國(guó)的超算總體實(shí)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過世界上其他國(guó)家，無論是單臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的最高性能，還是如本文分析的TOP500的前10、前50的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或者綜合應(yīng)用能力，都是其他國(guó)家未來十多年無法超越的。日本、歐洲的整體實(shí)力都在穩(wěn)步上升。因此，競(jìng)爭(zhēng)將更加激烈。此外，需要特別關(guān)注在摩爾定律延緩后，或者后摩爾定律時(shí)代的超算技術(shù)積累方面我國(guó)存在的差距，包括產(chǎn)業(yè)界的技術(shù)研發(fā)、實(shí)現(xiàn)工藝和人才等方面需要加大力度進(jìn)行儲(chǔ)備，避免形成新的代差。與此同時(shí)，要補(bǔ)齊芯片設(shè)計(jì)環(huán)境、大型工具軟件、領(lǐng)域應(yīng)用軟件等短板。