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中国超算产业发展现状分析

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中国网/中国发展门户网站新闻“超级计算”,一个深刻的术语,在过去10年中经常被提及,中国的超级计算产业已逐步进入国际领先地位,并逐步进入公众的视野。在行业内外,出现了不同的声音。例如,超级计算行业的巨额投资与中国社会经济发展阶段不匹配,中国超级计算行业只会积累硬件等问题。因此,客观评价中国超级假冒产业在国家科技发展,经济转型升级,提升公益性方面的地位和重要作用,将为决策提供坚实的政策基础和实践参考。中国超级计算产业的发展。

超级计算机的战略意义

高性能计算,也称为超级计算,是计算机科学的重要前沿分支。从电子计算机诞生之日起,计算能力的提高是信息产业从业者追求的核心目标之一。它不仅是国家综合研究水平的重要标志,也是可持续发展不可替代的国家安全,经济和社会发展的综合支持信息技术。

促进国家科技创新能力的跨越式发展

中国《“十三五”国家科技创新规划》(国发[2016] 43号)明确指出“先进计算技术的发展,重点是加强E级(亿亿次级)计算,云计算,量子计算,人机计算,异构计算,智能计算技术开发和应用,如机器学习。“

高性能计算已成为解决国家发展中的重大挑战和技术创新不可或缺的工具,如能源短缺,环境污染,全球气候变化和其他可持续发展困难;支持传统的产业转型升级,如大型飞机,高速列车和汽车设计,需要在各个阶段提供高性能的计算支持,这有助于提高产品性能,缩短开发周期,降低设计成本。在生命科学领域,新药研究和精准医学正在改变人们的医学模式;计算材料学习已成为发现新功能材料和改善材料特性的重要手段。

超级计算平台支持的先进计算技术促进了各学科的交叉集成和发展

习近平总书记在2018年5月28日的两院院士会议上指出,“以信息化和智能化为杠杆培养新的动能。要突出领导和支柱性质,优先培养大力发展一批战略性新兴产业,聚集,构建产业体系的新支柱,推动互联网,大数据,人工智能和实体经济的深度融合。

目前,计算科学领域正在从第三范式(传统计算模拟和数字模拟)转向第四范式(基于大数据相关分析的科学发现和研究),高度依赖于高性能计算和?蒲Т笫荩疃取Q爸涞纳疃日稀=昀矗斯ぶ悄艿耐黄剖腔诔都扑慊扑隳芰蜕疃妊八惴ǖ某晒岷稀3都扑慊С值南冉扑阆低车姆⒄菇徊酱俳咝阅芗扑悖悄芗扑愫痛笫莸纳疃燃珊痛葱隆?

推动完善国家战略性基础信息基础设施建设

信息和计算能力一直被视为现代社会的重要战略资源。以超级计算能力和大量信息为代表的超级计算中心所代表的大规模信息基础设施也越来越多地将其战略基础设施展示为一个创新型国家。它的重要性。超级计算中心具有清晰的公共,动态,自主和开放的基础设施平台的特点。因此,超级计算中心是资源融合,技术创新和人员交流的支撑平台,可以提高区域科研水平,增强企业。核心竞争力将进一步促进当地经济建设。

广泛服务于国家民生工业,提升社会可持续发展和幸福指数

该国重要的公共和民生工业,如科学研究,能源工业,气候气象学,生物医学和工业制造业,是超级计算机行业的传统应用领域。例如,随着数值天气预报技术的快速发展,预测的准确性和及时性得到了很大提高,为农业,水利,海洋开发,航空,交通,环境等各个行业提供了重要的社会公共产品。保护。地球增加了整个社会的福利。

国际超级计算机产业的发展现状

自过去10年以来,国际超级计算能力已达到P级计算(1 PFlops,petaflops,每秒1015次双精度浮点计算),各国已开始瞄准下一个性能目标 E级计算(1 EFlops,数百亿计算,每秒1018次双精度浮点计算)(表1)。

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美国对超级计算行业的长期支持使美国在系统开发,计算应用,超级计算服务及其人员结构方面保持其在世界上的领先地位。为了最大限度地发挥超级计算行业在经济竞争力和科学发现方面的优势,美国奥巴马政府于2015年通过了“国家战略计算促进计划”(NSCI)总统行政命令,该计划完全由政府主导,旨在计划制定长期的多机构战略愿景,制定联邦政府投资战略,并与行业和学术界合作。

欧盟还非常重视超级计算基础设施的发展,重点是软件,应用程序和算法。为此,欧盟计划了几项发展计划。例如,德国的E级创新中心(EIC)计划;西班牙巴塞罗那超级计算中心推出了E级“欧盟勃朗峰计划”;法国BULL公司的“SEQUANA”计划。欧盟于2013年启动了“地平线2020”(Horizon 2020)计划,其中“可能用于高性能计算”的勘探基金项目??2014 - 2020年投资7亿欧元。

日本教育部于2014年6月宣布,它为国家高性能计算基础设施(HPCI)推出了一个名为“post-K”的E级计划。初步估计投资额为13亿美元,开发工作于2021年完成。日本强调以社会问题为指导,发展科学计算对解决社会问题的贡献,并整合科学计算和研究,以实现目标新的科学发现药物发现和保健,一般灾害预防,能源和环境问题以及社会经济预测。等待4个关键区域。

近年来,俄罗斯也加强了超级计算机的研发。其联邦原子能机构于2011年9月批准了《2012 至 2020 年百亿亿次超级计算机为基础的高性能计算技术构想》,获得了450亿卢布,计划到2020年达到数百亿计算能力。

中国超级计算机产业的发展现状

中国的超级计算机发展状况

近10年来,在国家“863”等国家科技计划的不断支持下,中国在超级计算领域取得了长足的进步。从技术角度来看,以“天河”,“神威”和“曙光”为代表的超级计算机的性能长期以来一直处于TOP500排行榜的世界领先地位,并且在11个TOP500排行榜中名列第一,会计总次数。 55%。

中国超级计算机制造商的重要里程碑:2004年和2008年,曙光公司成功开发出“曙光4000”10万亿台计算机和“黎明5000”万亿次计算机进入TOP500前10名; 2009年,国防科技大学成功研制出“天河一号”千万亿次计算机,使中国成为继美国之后成功开发千万亿次计算机的国家。 2010年6月,曙光公司成功开发出来。星云“和硕”电脑,性能在全球排名第二; 2010年11月,升级后的“天河-1A”系统创造了世界上最好的超级计算机排名; 2010年底,“神威蓝光”成为国内第一款拥有国产CPU的千万亿级超级计算机; 2013年6月,“天河二号”连续六次跻身TOP500第一; 2016年底首次由国家CPU制作。“神威太湖之光取代第一名。

习近平总书记在2018年5月28日的两院院士会议上指出,“我们正在努力推动针对国家主要需求的战略性高科技研究。超级计算机连续10次赢得世界前10名,使用国内芯片的神威太湖The Light获得高性能计算应用“戈登贝尔”奖的最高奖项。

幸运的是,中国的超级计算产业不仅进入了技术领先的前沿,而且在市场份额上也有了稳固的脚步。在TOP500排行榜上,来自中国超级计算机的制造商已从四年前的7.4%逐渐增长到近50%,其市场份额逐渐与美国保持同步(表2)。在国内市场,“曙光”系列高性能计算机连续9年在中国TOP100排名中占据最大市场份额。国内平台的市场份额在2013年首次超过国外?教?;在2018年,国内平台占据了整个列表,最低性能都超过了1PLOPS的计算能力。

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曙光公司的产业化经验表明,中国超级计算产业可持续发展的关键在于,在将核心技术转化为产品的过程中,必须以市场为导向,以企业为导向,结合生产,学习和研究。中国的超级工业行业需要将已经分解为中小规模系统的关键技术转移。这不仅可以扩大中国超级计算市场的参与度和衍生品的优势,还可以扩展到更广泛的应用领域,从而实现高性价比,具有强大市场竞争力的通用批量产品。如何协调和统一国家科研项目与企业产品开发将是决定中国超级计算技术未来发展方向的重要因素。

目前,国内超级计算机行业的应用水平

超级计算能力只有实际应用于国家安全和发展的主要产业,才能实现其核心价值,促进科技创新,提高工程设计和科学认识。中国的超级计算机已经经历了政府主导的机器开发阶段,推动了应用程序的开发,并正在进入具有应用需求的领先系统开发的合理阶段。

在国家“863”计划相关重大项目的支持下,中国先后在物理化学,天文学,气象气象学,生物医学,新能源,流体模拟,大型飞机和石油勘探地震成像等领域支持超级计算应用。并开发了一批具有自主知识产权的主要行业应用软件系统。该应用程序还形成了数千万个处理器内核,用于并行计算仿真应用实例,并取得了一些重要成果,初步展示了该功能型应用。

国家超级计算服务环境是在国家重大科研项目的不断支持下,在国内聚集的一种高性能计算资源和丰富的应用软件资源。它通过资源共享为全国许多领域的用户提供高性能计算和数据处理服务。它支持了一千多项重大工程项目的国家科技计算和研究项目,初步形成了基础设施形式,已成为中国经济社会发展不可或缺的组成部分。中国国家电网拥有六个国家超级计算中心:无锡中心,天津中心,济南中心,深圳中心,长沙中心和广州中心。此外,各行各业都倾向于统一高层超级计算中心的建设,为用户提供密集的超级计算服务。还有一系列商业超级计算服务,如独立运营的上海超级计算中心。

中国在建设可持续发展社会的过程中创造了许多新的形势和挑战,积极应对资源短缺和城市化。国内超级计算机行业也在积极探索新型超级计算机,以应对这些挑战,如数据分析。近年来,机器学习和信息服务等应用类别占TOP100排名的近50%。针对行业和用户的需求,曙光积极应用和推广自己的智能城市应用服务超级计算技术,探索信息安全,公共安全和城市管理的新途径。该行业可以在科技进步的经济和社会发展中发挥支撑作用。

中国超级计算机产业的机遇与挑战

目前,中国正面临着产业结构升级,建设社会可持续全面小康社会的关键阶段。超级计算产业是科技创新的核心竞争力之一,正面临着全面发展的战略机遇。

《中国科学院“十三五”发展规划纲要》明确指出“重点将放在八个主要创新领域和相关的关键方向,如基本前沿交叉,先进材料,能源,生命和健康,海洋,资源生态环境,信息和光电空间,以及国家重大科技基础设施。两种类型的公共支持平台,如数据和计算平台,将实现我院未来的科技布局。

面对行业的重大机遇,中国的超级计算机行业也面临着重大挑战。 “机会永远留给那些准备好的人。”

核心技术在一定程度上取决于国外

中国的超级计算制造水平已进入世界领先地位,但受信息产业整体水平的限制,使得中国超级计算产业的核心技术突破不够广泛,自主技术的发展还比较缓慢。中国大多数商用超级计算机系统使用外国制造商的芯片,系统和应用软件,而且拥有独立技术的超级计算机相对较少。

习近平总书记在2018年4月20日的全国网络安全信息化工作会议上指出,“核心技术是国家的重武器。有必要下定决心,保持毅力,找到正确的重点,加快信息领域核心技术的突破。“国内芯片是中国信息技术(IT)产业的基石和超级计算的核心技术。基石不稳定,行业的发展不再可能。

与国外厂商的产品相比,国内企业和科研机构开发的核心技术经常在一些单点技术上突破,距离形成系统的产业化生态环境是巨大的。例如,处理器制造过程落后一到两代,处理器的主频和单核性能较低;国内处理器的硬件和软件生态环境尚未完全建立,应用适应性较低。

需要加强超级应用软件开发和产业化,高级应用人才培养和团队建设。

随着中国超级计算产业刚刚进入快速发展阶段,超级计算应用的生态环境尚未建立,高级超级计算应用和人才队伍的积累明显不足,主要体现在超级计算软件的应用领域,自主研发的并行应用。软件不够丰富,需要加强各级超级人才的培养。

在中国的超级计算机行业,许多重要的应用也需要从国外购买昂贵的商业软件。一些主要的工业应用单位通过经验积累和探索开发和应用了一些应用软件系统,但大多数都保持自学和自用;由于缺乏相应的产业化工作,如行业认可的第三方验证和确认,商业推广和应用能力不足,更难以得到业内更多用户的认可。除了传统的超级计算应用行业之外,从业者的局限性和高门槛使得规模并行应用并不普及,通常基于成熟的外国软件的应用,缺乏应用创新的动力。

现有的国家项目组织机制和管理方法主要是短期项目资金模式,强调单点应用或技术的突破,但缺乏整体生态环境的顶层设计和连续造血能力的产业化,在项目的最后。面对后续迭代投资和超级计算应用产业化的困境。项目管理方式不能很好地适应超级计算机软件的应用需求牵引,多学科交叉和协同创新的现实。因此,迫切需要新的组织管理和制度创新。

过度计算基础设施的投入产出比需要提高,以进一步发挥其对经济和产业的影响

十年来,在国家科技计划的大力支持下,国内超级计算环境的建设取得了公益性平台的丰硕成果,减少了自建的地方,行业或企业数量。超级计算中心。重复资源投资的弊端。但是,公共超级计算中心往往略微缺乏应用软件开发能力和商业运营。运营和维护成本以及基础设施升级取决于外部政策投入,因此往往导致公众的部分社会运营和维护。投资减少对产出的印象。

未来,国内超级计算中心应寻求可持续发展,并与用户合作,加强基础应用软件的开发能力,开发相关应用的应用经验,并服务于国家和地方的主要应用要求。结果与工业和行业的横向辐射和联动,充分发挥了超级计算中心的重要作用,弥补了行业的不足,支持了工业经济的发展。

中国超级计算机产业的破冰之路

超级计算行业的研发和生产需要长期的投资和积累。这不是单一领域的技术爆炸,而是对全面科技进步的需求。中国应抓住未来电子水平计算的机遇,在战略层面做好高层次规划,在中国建立完整,完整的生态环境。

超级计算产业的发展需要国家战略规划和建设完整的生态环境

超级计算行业技术复杂,开发周期长,投资大,参与部门众多,辐射范围广。无论是完全基于政府项目投资指导还是完全移交给市场的工业行为都是不现实的。超级计算行业必须在国家层面进行战略协调,建立超级计算行业的组织机制和制度创新,政府将领导制定科学分析的中长期愿景,长期投资,多部门合作,稳步推进数十亿美元。超级计算研究,开发和部署应用程序的数量级和以上。

中国的超级计算行业不仅要满足于保持超级计算系统建设技术的领先地位,还要努力构建系统硬件(特别是高端芯片和其他核心设备),系统软件,开发工具,应用软件甚至人才团队。超级计算的生态环境。与此同时,中国的超级工业需要借鉴全球先进技术和先进经验。必须坚持独立自主的技术储备,并主动与国际主流技术和标准相结合,最大限度地利用前人丰富的技术积累。为了加快中国超级计算产业的发展,对于严重缺乏的技术缺陷,也应采用“引入 - 消化 - 吸收 - 创新”技术。通过这种方式,我们可以确保产业链在最短的时间内得到整合,从而确保中国超级计算产业的硬件和软件能够平衡和长期可持续发展,并有效地发挥领导科学的核心作用。和技术进步,促进社会和经济发展。

以应用需求为主线,以超计算产业化为目标,加强超工业生态链建设

中国的科技人员秉承自主创新的精神,不要盲目跟随国外技术,但要立足中国的战略需求,敢于成为世界第一,这是中国超级计算技术实现跨越的重要原因 - 前进发展。目前,中国正在推进国家创新体系建设,积极探索,大胆尝试,坚持脚踏实地,高尚创新的结合。它不仅关注当前经济发展的瓶颈,而且展望未来,并着眼于未来制高点的关键领域。这对于未来中国超级计算技术的进一步发展尤为关键。

中国的超级计算企业应充分发挥对市场需求的深刻理解,结合技术和用户的迫切需求,开展技术研发布局,坚持自主创新,开发和控制应用安全核心技术的优势;开展技术转移到自身的高端技术,坚持设计和开发一流的优质产品,肩负超级计算行业营销和产业辐射的负担。

企业依靠自身市场优势,开展广泛的科研创新和产业化合作,支持用户“走出去使用”高端技术。在中国科学院领导的大力支持下,曙光公司率先成立了“中国科学院先进计算技术创新产业化联盟”,并担任主席单位。它处于中国科学院创新链和产业链“双链嫁接”的最前沿。

2018年,在国家发展和改革委员会的指导下,曙光公司与多家上下游企业,科研院所和知名大学共同领导建立了“全国先进计算产业创新中心”并成立企业为主体,资本为纽带,国家。主要需求是牵引的有效运行机制,技术与资本的深度整合,平台与成就的公开共享。它在“生产,学习,研究”生态和制度机制创新的多方协同构建中进行了有益的探索。

注重超级计算行业的可持续发展,加强超级计算应用的辐射能力建设

在超级计算机产业发展的趋势下,我们应该清醒地认识到,如何充分利用现有的历史积累来推动中国超级计算产业的可持续发展还有很长的路要走。

在新的超级计算产业发展的历史时期,我们应该鼓励超级计算中心根据区域产业的优势领域,将现有的超级计算中心建设成一个专注于不同学科领域的独特合作交流平台。和合作单位。人才培养平台和应用开发平台,紧跟技术发展趋势,缩短创新技术产业链,形成科技创新驱动的产业化集群中心,服务更多区域产业结构升级,带动区域经济转型升级和社会福利服务。

超级计算行业必须以人为本,建立以跨技术为核心的人才队伍。在这个阶段,中国超级工业的人才队伍显然不足。国家应该鼓励大学和企业之间的合作。要积极拓展学术界和工业界的各种形式的人才培养,加强国内外人才的交流与合作,提升中国超级计算机产业的辐射能力,应用技术和技术创新。

中国超级计算机产业发展前景

目前,各国普遍预计E级超级计算机将从2020年到2021年处于历史阶段。因此,E级超级计算机是当前世界竞争的战略制高点。从P级计算到E级计算不仅仅是绩效指标的改进。能耗,性能,可扩展性,可靠性,生态环境,应用程序编程,应用程序效率和适应性,多领域应用程序的E级计算融合和许多其他方面面临前所未有的挑战。中国的“神威”,“天河”和“黎明”已经成功开发出三种E级原型,验证了一些E级超级计算的核心技术路线,并达到了世界超级计算技术的最前沿。

在中国科学院的大力支持下,曙光开发出世界领先的超级计算机,具有完整的性能,兼容现有主流技术标准和生态环境,特别是采用新型相变液冷技术,基本上已达到现有硅片。基片冷却的终极散热能力。在中国科学院相关单位的支持下,初步建立了完整的生态环境,希望探索超级计算产业发展的新路子。

在后E时代,半导体技术逐渐接近其物理极限,传统冯诺依曼架构的瓶颈日益突出。已经开始开发诸如超导计算机,量子计算机,类似脑的计算机,生物计算机和光学计算机的新计算机系统。然而,在短期内,基于硅基半导体工艺的传统超级计算技术仍然是主流,但从长远来看,这些新技术具有良好的发展前景。

超级计算机的传统应用领域是科学研究,如气象预测,石油勘探,CAE模拟,新材料研究,新药发现和基因测序。但是今天,超级计算应用领域早已扩展到互联网,物联网,人工智能等领域,而超级计算技术也渗透到了人们日常生活的方方面面。目前,超级计算机几乎支持我们所有的大规模信息基础设施;在未来,他们还将成为城市的智慧大脑,收集海量数据,优化城市管理和服务,提高公民的生活质量,为我们创造更美好的生活。 (作者:李俊,曙光信息产业有限公司《中国科学院院刊》提供。)