我國高性能計算的回顧與展望

錢德沛

回顧過去20年中國高性能計算的發展，可謂舉步維艱，成績卓然。簡單算一筆賬，國際上通常的發展速度是10年性能提高1000倍，20年差不多100萬倍，但我們提高了5000多萬倍，我們在20年走完了別人30年甚至40年走的路。

一、高性能計算發展的回顧

高性能計算是戰略性、前沿性的高技術，是發達國家爭奪的戰略制高點。

高性能計算是解決國家經濟建設、社會發展、科學進步、國家安全方面一系列重大挑戰性問題的重要手段，是國家創新體系的重要組成部分。高性能計算產生的原始創新和高端技術會影響下游產業的發展，因此美國、日本、歐盟在這方面均有大量的投入，包括資金和人力，以確保他們的技術始終保持著領先地位。

我國的高性能計算發展得益于“863計劃”的實施，受國際及國內科研和工業發展需求的變化，期間經歷了幾次研究重點的轉變。1987年啟動之初，研究重點是智能計算機系統，當時受到日本五代機的影響，而且80年代人工智能處于高潮時期，當時的重點是研究Lisp機、Prolog機，目標是實現高效規約、推理，從而支持人工智能應用。1990年，根據國內科研與工業的現實需求，重點轉向研制并行計算機，像SMP、MPP等，期間成立國家智能機中心，并于1993年成立曙光公司。1998年，受美國網格計劃的影響，研究重點從研制單臺高性能計算機轉向高性能計算機與網絡計算環境并重，目的是建立互聯網上普遍共享的計算能力，形成國家計算基礎設施。2006年，又提出高性能向高效能的轉變，這導致計算機研制技術路線的變化，從單純強調峰值性能變為強調除性能指標之外的可編程性、可移植性和系統的可靠性。在強調依托自主技術實現E級計算機的今天，我們又處在一個轉折的節點，面臨研究重點新的轉變，即強調如何建立基于自主技術的高性能計算生態環境。

過去的15年里，“863計劃”連續支持了三個重大的項目，即2002—2005年的重大專項“高性能計算機及核心軟件”，2006—2011年的重大項目“高效能計算機及網格服務環境”，2011—2016年的重大項目“高效能計算機及應用服務環境”。歷經多年努力，研制了一系列的高性能計算機，包括 “天河” “神威” “曙光”以及聯想的“深騰”。這些機器構成了我國的計算資源，很好地支持了一批重要的應用。

回顧過去20年中國高性能計算的發展，可謂舉步維艱，成績卓然。1996年的“曙光1000”，計算能力是25億次，當時美國的計算能力是萬億次，相差400倍。2016年中國制造的“神威·太湖之光”，計算能力是12.5億億次，性能提升了5000萬倍，領先美國最快的TITAN系統4倍多。簡單算一筆賬，國際上通常的發展速度是10年性能提高1000倍，20年差不多100萬倍，但我們提高了5000多萬倍。我們在20年走完了別人30年甚至40年走的路程。

從過去20年我國高性能計算環境與美國的對比，可以了解我國高性能計算基礎設施的發展情況。1996年，我國在合肥建立了第一個國家高性能計算中心，裝備了計算能力6.4億次的曙光一號。同期美國在NSF的PACI計劃支持下，由NCSA和SDSC兩個超算中心牽頭，建立了美國國家級計算網格，當時我們大大落后于美國。到了2016年，我國實現了由17個高性能計算中心構成的中國國家高性能計算服務環境，資源能力位居世界前列。此時美國的共享計算基礎設施XSEDE環境也是由十多個超級計算中心構成。實際上，我們和美國已經實現了并跑。

過去20年，我國高性能計算應用的廣度和深度有了長足的進步。1996年，我國高性能計算的應用范圍僅限于氣象預報、石油勘探等少數領域，達到的并行性也僅有十幾個到幾十個處理器，使用的應用軟件主要依賴進口。到了2016年，我國的高性能計算應用已擴展到諸多領域，例如大飛機研發、高鐵列車設計、石油勘探、新藥發現、集合氣象預報、生物信息、汽車研發、流體機械優化設計、電磁環境計算等。在“863計劃”支持下，研發了一批大規模并行應用軟件，并在相關行業和領域得到應用，發揮了實際的作用。并行應用的規模已經突破千萬核處理器。硬件和應用規模的突破，使得我們能夠獲得國際高性能計算應用水平標志性獎——戈登·貝爾獎。

在過去20年的發展歷程中，我們積累了很多的經驗。首先是國家科技計劃與地方、應用部門的發展計劃相結合。這種結合不僅實現了多渠道籌資研制高效能計算機，而且實現了科技部和地方政府共同出資建設國家超算中心。其次是產學研用的結合。高性能計算中心作為提供計算服務的單位，在高效能計算機的研制過程中發揮了重要作用。例如，由高性能計算中心提出系統的性能指標，參與遴選研制隊伍。企業通過直接參與國家計劃，提升了自身的技術水平，同時也促進了其市場份額的提高。此外，應用單位牽頭研發應用軟件，也保證了軟件的實用性。再次是始終堅持機器、環境、應用三者的均衡發展，相互促進。高性能計算機體現了計算機技術的最新成就，為高性能計算應用提供計算資源，推動了高性能計算應用和計算機產業的進步。高性能計算環境實現了計算資源的共享，提高了資源的利用率，降低了高性能計算的應用門檻，促進了高性能計算應用的普及和提高。高性能計算應用的發展對計算機技術的發展起到了直接的牽引作用，同時產生應用實效。

當然，在高性能計算機的發展過程中也暴露出一些問題，值得我們關注。首先，我國的高性能計算發展缺少國家級的長期戰略規劃。目前的情況是，國家層面每五年論證一次，高性能計算需要和很多兄弟領域競爭國家的經費支持。從近年來的情況來看，對高性能計算應用的經費支持力度偏低。其次，當前高性能計算機研制的基本模式是國家、地方和應用部門共同出資，而國撥經費的比例偏低有可能使這種模式難以為繼。另外，探索新的發展模式是高性能計算環境發展必須思考的問題，國家支持與有償服務相結合的發展機制也許值得探討。

我國在高性能計算核心關鍵技術方面與美國相比還有較大差距。我國在高性能計算機的基礎關鍵器件（處理器、存儲器等）、大規模并行算法與軟件等核心關鍵技術方面仍依賴國外。要實現高性能計算的可持續發展，必須加強基礎研究，提高技術儲備的縱深，其中，發展應用軟件是關鍵。目前的現狀是，高性能計算機硬件技術發展較快，而進口的軟件卻跟不上國產應用計算機的并行規模，所以需要通過自主研發、開源、共享等技術手段，來解決并行應用軟件的問題。

我國高性能計算領域的人才儲備嚴重不足，嚴重制約了應用發展，要通過學科交叉，拓寬人才培養渠道，在實踐中再培訓，切實解決人才不足的問題。

最后，發展高性能計算，要建立產學研用相結合、多學科協作的長效機制，形成群體優勢力量，這是高性能計算長久穩定發展的必需。

二、為什么要發展高性能計算

我國的經濟建設、社會發展和國家安全需要E級高性能計算

我國社會經濟發展和國家安全對E級高性能計算有迫切需求。以百億億次量級的計算需求為例，首先解決國家發展的重大挑戰性問題，如能源短缺、環境污染、全球氣候變化等對E級計算有迫切需求；其次，E級計算在促進傳統產業轉型升級中有重要作用，如航空工業、高速鐵路、重大裝備制造、汽車工業等領域，技術的研發都對計算提出強烈需求；第三，高性能計算能幫助提高人民生活水平，例如，涉及老百姓生活和身體健康的精準醫學、個性化藥物研發、突發惡性傳染病的應對等方面，E級計算都可以發揮巨大作用；最后，重大科學發現和基礎科學研究，更是高性能計算的傳統應用領域，如高能物理、天文物理、材料高通量計算等，對高性能計算的依賴程度非常高。

高性能計算促進我國信息產業發展

高性能計算對我國信息產業的發展具有極大的促進作用。首先，高端計算系統的研發和技術輻射促進了我國服務器產業的進步。目前，國內HPC和服務器的銷售額已經接近200億元，在國際市場上也占有一席之地。高端系統和服務器產業的發展極大促進了我國核心部件和關鍵元器件的自主研發，為形成具有自主產權的硬件系統奠定了基礎。其次，高性能計算應用的研發和普及為國產高性能計算軟件產業的發展奠定了基礎。長期以來，我國的應用軟件主要依賴進口，尤其是在工業生產領域和基礎科學研究領域，支出大量采購經費，且軟件升級受制于外方。因此，在發展硬件技術的同時，拓展應用軟件市場，逐步占據高端市場，輻射低端市場，最終替換商業軟件，搶占HPC軟件的市場，是我國應用軟件發展的必由之路。最后，國家高性能計算環境的發展，催生我國計算服務業的發展，通過環境運行，探索運營與盈利的新模式，從單純提供計算機向提供解決方案和交鑰匙服務方向轉變，這將促進我國高性能計算服務業的發展，也有利于提升我國相關企業的競爭力。

自主可控是我國高性能計算發展的必由之路

處理器是計算機的核心部件，長期以來中國超級計算機的處理器依賴進口。隨著我國超級計算機規模的提高，計算能力不斷增強，引起美國的關注。美國于2015年起開始對中國禁運新一代微處理器，拖延了“天河二號”超級計算機的升級。同時，國外限制高端應用軟件向我國的出口，也造成國家超算中心應用軟件采購受限，直接影響服務質量。現實告訴我們，中國的高性能計算事業不能完全建立在國外技術的基礎上，中國必須大力發展自主關鍵技術，提升高性能計算的核心技術水平和自主可控能力。

三、發展E級計算面臨的挑戰

E級計算機核心技術的挑戰

E級計算機的研制面臨巨大的技術挑戰，主要體現在功耗 （Power consumption）、應用性能 （Performance）、可編程性 （Programmability）和可靠性 （Resilience）幾個方面，可簡單總結為3個P，1個R。

為了應對這些挑戰，我們需要在體系結構上有所突破，探索突破當前異構加速、異構多態、國產眾核等途徑的新型體系結構。在核心關鍵技術方面要有創新，尋求在高性能處理器、高速互連、低功耗技術、系統軟件、并行算法等方面的技術創新。同時要以軟硬件協同的方式，改善系統性能，提高系統可靠性，降低系統能耗。

大規模并行軟件的挑戰

應用軟件方面的挑戰主要來自E級計算應用軟件的大規模并行性。要充分考慮如何發展適應體系結構的大規模并行算法，如何支持數百萬核至數千萬核水平的大規模并行程序的開發，如何應對異構體系結構帶來的新的編程問題，如何實現大規模并行程序的調試和性能調優。如果這些基本問題得不到解決，我國高性能計算的應用水平難以提高。

高性能計算環境建設的挑戰

除了硬件和軟件之外，高性能計算的推廣離不開良好的生態環境。要建立環境可持續發展的運行模式，研發支撐軟件平臺，實現高性能計算環境的基礎設施生態運行；一方面要注重不斷豐富環境的資源，另一方面要建立有效的資源共享模式與機制，提高資源利用率，充分發揮資源的效益；要發展新的應用服務模式，拓展環境的應用；要與時俱進，在新的技術條件下提供更高質量、更好體驗的服務。這些都是值得我們探討和努力解決的問題。

構建高性能計算生態環境任務緊迫

當前國際形勢下，采用國產處理器實現E級計算機，不是應該不應該，而是不得不采取的措施，依托自主技術已經成為我國高性能計算發展的必然選擇。要發揮基于國產處理器的E級計算機系統的作用，必須建立適應國產處理器的應用生態環境，需要我們在系統軟件、工具軟件、應用軟件方面有所建樹。事實上，在應用生態環境建設方面我們仍然存在非常大的問題。做一兩臺高端的計算機不是我們的終點，恰恰是新的起點。未來需要有更多的企業、研發部門、應用部門、學術界一同努力，共同推進我國高性能計算機產業，特別是服務器產業的發展。只有很多人來做這件事情，國產處理器的應用生態問題才能得到解決。