白香君

中國航空研究院

高性能計算是指利用多處理單元所形成的強(qiáng)大計算能力來解決用單個工作站無法完成的密集型計算任務(wù)。高性能計算的發(fā)展水平已經(jīng)成為衡量一個國家綜合實力和高科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志，美國、歐盟、日本、英國都高度重視高性能計算的發(fā)展，并在國家層面設(shè)有專門機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)研究、制定高性能計算發(fā)展策略，我國也逐漸將高性能計算的發(fā)展提升到了國家戰(zhàn)略層面。

高性能計算能夠推進(jìn)人類對諸如星系等太大、原子等太小、核聚變等太快、宇宙等太慢、破壞性試驗等太危險或昂貴的問題的研究。高性能計算集群（HPC）拆解復(fù)雜問題的能力可以非常顯著地縮短突破科技創(chuàng)新瓶頸、解決實際問題的時間，為快速實現(xiàn)科技創(chuàng)新帶來機(jī)遇，為工業(yè)領(lǐng)域取得跨越式發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

本文從我國高性能計算發(fā)展現(xiàn)狀分析入手，通過中美高性能計算發(fā)展多維度對標(biāo)分析，高性能計算技術(shù)管理多方面難點(diǎn)剖析，提出中國高性能計算發(fā)展的四大總體策略，并設(shè)計出未來工業(yè)領(lǐng)域高性能計算發(fā)展的架構(gòu)模型。

一、我國高性能計算發(fā)展現(xiàn)狀分析

當(dāng)前，我國高性能計算在宇宙探索、氣候模擬、材料研發(fā)、工業(yè)設(shè)計、試驗研究等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，對國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有不可替代的作用。

從2021 年中國高性能計算性能（Linpack 測試）TOP100 排行榜前10 名（見表1）來看，中國最強(qiáng)超算僅有20%由國家機(jī)構(gòu)研制并安裝在國家超算中心；60%由網(wǎng)絡(luò)公司研制安裝，占比過半?？梢?，我國高性能計算技術(shù)能力十分分散，缺少國家層面的統(tǒng)籌。

表1 2021年中國高性能計算性能TOP100排行榜前10名

從TOP100 高性能計算機(jī)應(yīng)用發(fā)展趨勢（如圖1所示）來看，數(shù)據(jù)分析/機(jī)器學(xué)習(xí)等新興領(lǐng)域的應(yīng)用占比由2015 年的27%上升到了2020 年的55%，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過科學(xué)/工程計算的占比，可見我國高性能計算正在由科學(xué)計算向應(yīng)用計算領(lǐng)域發(fā)展。

圖1 TOP100高性能計算機(jī)應(yīng)用發(fā)展趨勢圖

從2021 年高性能計算應(yīng)用領(lǐng)域份額來看（如圖2所示），算力服務(wù)占比達(dá)到46%，人工智能應(yīng)用占比達(dá)到9%，金融、互聯(lián)網(wǎng)、教育科研、能源/石油、電子商務(wù)、工業(yè)/制造、電信等應(yīng)用領(lǐng)域都開始使用高性能計算機(jī)，高性能計算正在成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。

圖2 2021年高性能計算應(yīng)用領(lǐng)域份額

二、中美高性能計算發(fā)展對標(biāo)分析

美國高性能計算發(fā)展水平一直處于國際前列，具

有示范引領(lǐng)作用，本節(jié)從戰(zhàn)略規(guī)劃、能力提升、軟件研發(fā)、高性能計算應(yīng)用等4 個層面，對中美高性能計算發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行對標(biāo)分析，明確我國高性能計算發(fā)展存在的主要短板弱項，為后續(xù)提出我國高性能計算發(fā)展策略奠定基礎(chǔ)。

在戰(zhàn)略規(guī)劃層面，美國從2015 年就發(fā)布了“國家戰(zhàn)略性計算計劃”（NSCI），NSCI 是比較全面的國家級頂層規(guī)劃，在此計劃下應(yīng)運(yùn)而生的HPC4EI 計劃更是涵蓋了制造技術(shù)改進(jìn)、新材料研發(fā)、移動系統(tǒng)發(fā)展等3 個能源創(chuàng)新型子計劃。我國通過國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（“863”計劃）和國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（“973”計劃）支持過一批高性能計算技術(shù)研究和基礎(chǔ)建設(shè)的項目，但至今沒有類似“國家戰(zhàn)略計算”的頂層規(guī)劃。因缺少國家層面持續(xù)性的戰(zhàn)略性計劃支持，多數(shù)網(wǎng)絡(luò)公司利用自身力量難以維持高性能計算領(lǐng)域長足的發(fā)展，缺少高層次項目統(tǒng)攬全局，各平行的高性能計算項目之間難以協(xié)同創(chuàng)新。

在能力提升層面，美國發(fā)展高性能計算主要是靠應(yīng)用牽引，其E 級計算機(jī)研制成功的標(biāo)志不僅是Linpack 測試，而是25 個應(yīng)用的幾何平均值。我國E級計算機(jī)研制成功的標(biāo)志仍然停留在Linpack 測試階段，但隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等新興領(lǐng)域?qū)τ诟咝阅苡嬎泱w系結(jié)構(gòu)的要求越來越高，單純追求“容量型”高性能計算的計算速度而忽略了“能力型”高性能計算的計算效率，顯然不是明智之舉。

在軟件研發(fā)層面，我國常用高性能計算軟件主要依靠進(jìn)口，自主研發(fā)軟件使用極少，并且在超算經(jīng)費(fèi)投入中用于軟件研發(fā)的費(fèi)用還不足10%，距離實現(xiàn)軟件自主可控差距較大。美國高性能計算常用軟件主要依靠自主研發(fā)，其每年在軟件研發(fā)方面投入的經(jīng)費(fèi)約為中國的6 倍。

在高性能計算應(yīng)用層面，我國使用高性能計算機(jī)較多的是網(wǎng)絡(luò)公司，制造業(yè)普遍使用高性能計算較少，且規(guī)模較小。美國汽車、航空航天、電子通信等制造業(yè)普遍使用高性能計算機(jī)，每家企業(yè)都有多個高性能計算中心，美國公司的總體超算規(guī)模約為中國的10 倍。只有大多數(shù)企業(yè)使用高性能計算集群，才能加速科技創(chuàng)新，使國家走向高質(zhì)量發(fā)展的道路。

三、高性能計算技術(shù)管理難點(diǎn)剖析

從工業(yè)領(lǐng)域來看，當(dāng)前各單位高性能計算在技術(shù)和管理層面均存在一些難點(diǎn)，制約其持續(xù)發(fā)展。

在技術(shù)層面，高性能計算運(yùn)行維護(hù)涉及專業(yè)技術(shù)廣泛，各單位普遍缺乏HPC 專業(yè)人員；高性能計算軟件購買成本高，各單位Licence 軟件普遍不夠用；高性能計算主要支撐復(fù)雜計算任務(wù)，內(nèi)存需求量極大，存儲容量不足現(xiàn)象頻現(xiàn)；同一項目的不同單位人員分別在本單位高性能計算集群進(jìn)行計算，協(xié)同設(shè)計十分困難；除此之外，存在計算網(wǎng)格量巨大，本單位高性能計算資源難以支撐；用戶個性化定制成本過高，存儲數(shù)據(jù)量利用率極低等問題，嚴(yán)重制約了本單位高性能計算的高效運(yùn)行。在管理層面，當(dāng)計算項目較多時，各單位存在階段性應(yīng)用需求旺盛、資源不足的現(xiàn)象；當(dāng)計算項目較少時，又會出現(xiàn)階段性資源空閑的情況；各單位高性能計算軟件研發(fā)能力分散，自主創(chuàng)新能力不強(qiáng)，持續(xù)性維護(hù)成本高，科研投入支撐十分薄弱，持續(xù)性維護(hù)高性能計算機(jī)存在資金困難。

四、我國高性能計算發(fā)展總體策略

面對國內(nèi)、國際高性能計算發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，為加速科技創(chuàng)新，加快構(gòu)建高性能計算發(fā)展的良好生態(tài)環(huán)境，我國應(yīng)當(dāng)從以下4 個方面發(fā)力。

一是制定高性能計算發(fā)展頂層規(guī)劃，強(qiáng)化國家層面統(tǒng)籌，促進(jìn)高層次項目間的協(xié)同創(chuàng)新，系統(tǒng)提升高性能計算實力。二是注重現(xiàn)有高性能計算資源的統(tǒng)籌，充分利用已有優(yōu)勢資源力量，構(gòu)建現(xiàn)階段高性能計算技術(shù)發(fā)展生態(tài)環(huán)境。三是注重高性能計算應(yīng)用牽引，促進(jìn)大數(shù)據(jù)、人工智能與高性能計算的深度融合，大力發(fā)展“能力型”高性能計算。四是加強(qiáng)高性能計算軟件研發(fā)投資，提升自研軟件應(yīng)用占比，爭取實現(xiàn)軟件自主可控。

五、工業(yè)高性能計算未來架構(gòu)模型

面對工業(yè)領(lǐng)域高性能計算發(fā)展現(xiàn)狀及普遍存在的問題，高性能計算云平臺將會是工業(yè)領(lǐng)域高性能計算未來主要的架構(gòu)模型。高性能計算云平臺能夠從技術(shù)上解決各單位軟硬件資源不足、存儲容量不夠，協(xié)同設(shè)計困難等問題；從管理上解決高性能計算維護(hù)成本高、自主創(chuàng)新能力不足等問題。

高性能計算云平臺架構(gòu)模型如圖3 所示。它具體指的是以行業(yè)內(nèi)某單位其中一個高性能計算集群為中心，以各單位高性能計算分中心為節(jié)點(diǎn)，連接所有高性能計算中心，整合各單位閑時計算、存儲資源，形成一個大的資源池，對計算資源、存儲資源進(jìn)行統(tǒng)籌管理，根據(jù)各單位實際使用需求，合理調(diào)配、占用其他單位閑時資源，大幅提高計算、存儲資源使用效率；利用軟件浮動Licence，實現(xiàn)各單位軟件資源的共享，大幅降低行業(yè)軟件購買成本；聯(lián)合各單位自研軟件研發(fā)團(tuán)隊，在線協(xié)同設(shè)計，促進(jìn)科技創(chuàng)新，提升自研軟件占比；聘請高性能計算專業(yè)團(tuán)隊，對高性能計算云平臺進(jìn)行管理，不斷優(yōu)化管理水平，提升自主創(chuàng)新能力。

圖3 高性能計算云平臺架構(gòu)模型

行業(yè)內(nèi)高性能計算云平臺將形成計算資源調(diào)度能力，應(yīng)用軟件共享能力，數(shù)據(jù)管理分析能力，自研軟件創(chuàng)新能力，應(yīng)用發(fā)展支撐能力等五大能力，支撐本領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展。

行業(yè)內(nèi)高性能計算云平臺建設(shè)第一階段的主要任務(wù)是解決各單位高性能計算資源連接起來、統(tǒng)一調(diào)度起來的問題；第二階段的難點(diǎn)是構(gòu)建高性能計算的“高速公路”，即解決行業(yè)內(nèi)不同單位高性能計算連接網(wǎng)絡(luò)帶寬、速率的問題?，F(xiàn)階段，部分工業(yè)領(lǐng)域可使用5G網(wǎng)絡(luò)連接高性能計算，但如航空、航天、船舶等軍工行業(yè)因保密原因，僅能使用行業(yè)內(nèi)專網(wǎng)連接高性能計算資源，且網(wǎng)絡(luò)帶寬嚴(yán)格受限。行業(yè)內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計、部署實施高速網(wǎng)絡(luò)是高性能計算云平臺建設(shè)第二階段的重點(diǎn)，也是行業(yè)走上高質(zhì)量發(fā)展道路的關(guān)鍵一步。高性能計算云平臺建設(shè)第三階段應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，行業(yè)高性能計算云平臺的一個顯著特點(diǎn)是解決的問題均是行業(yè)內(nèi)復(fù)雜難點(diǎn)問題，數(shù)據(jù)存儲量大；存儲數(shù)據(jù)均為行業(yè)內(nèi)計算數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型較統(tǒng)一；利用高性能計算云平臺的大數(shù)據(jù)優(yōu)勢，發(fā)展本行業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)，對于支撐行業(yè)重大決策部署，成為尖端科技發(fā)展的引領(lǐng)者具有重大意義。