2021年中國高性能計算機發展現狀分析與展望

張云泉， 袁良＊，袁國興，李希代

1．中國科學院計算技術研究所，計算機體系結構國家重點實驗室，北京 100190

2.北京應用物理與計算數學研究所，北京 100088

背 景

在國際上自1993年起每半年會按Linpack 的測試性能公布在世界范圍內已安裝的前500 臺高性能計算機排行[1-2]。在國內，自2002年起每年會公布安裝在中國大陸的我國高性能計算機性能TOP 100排行榜。這些排行榜成為分析和預測高性能計算機體系結構演化、應用領域興替、研制廠商競爭、超算行業發展的重要參考。

從TOP 100 榜單冠軍來看，2002年-2004年我國高性能計算機排行榜中名列第一的聯想深騰1800 萬億次機群、聯想深騰6800 萬億次機群和曙光4000A 分別在當年的世界TOP 500 排行榜中位列第43、14 和10 名；2005年-2007年由IBM 研制的兩臺機器獲得我國高性能計算機排行榜冠軍；2008年TOP 100 排行榜冠軍曙光5000A 超算系統再次躋身當年TOP 500 排行榜第10 名位置；2009年由國防科大研制的天河一號獲得TOP 500 排行榜第5 名。

2010年-2012年占據中國TOP 100 排行榜第一位的是由國防科大研制的CPU+GPU 異構系統國產天河一號A 千萬億次超級計算機，也在2010年11月國際TOP 500 排行榜中奪得冠軍；2013年-2015年同樣由國防科大研制的CPU+MIC 異構系統天河二號超級計算機，連續三年獲得中國TOP 100 和國際TOP 500（六屆）排行榜冠軍。至此，國防科大研制的天河系列超級計算機七次奪取世界第一。

2016年，由國家并行計算機工程技術研究中心研制的神威·太湖之光基于國產SW26010 眾核處理器和互聯網絡，替代天河二號系統獲得兩個排行榜第1 名，并連續五年奪得中國TOP 100 榜首，連續兩年（四屆）獲得國際TOP 500 冠軍。2021年，由服務器供應商研制的網絡公司主機系統，采用CPU+GPU 異構眾核處理器架構，以125 PFlops 的Linpack 性能位居中國TOP 100 榜首。

超級計算系統作為計算科學的必備基礎設施，已經成為國家之間的戰略必爭點和創新轉型的利器，各國都投入巨資爭奪世界制高點，以超級計算機系統為核心的算力經濟時代已經到來。經過三十年的快速發展，中國研制超算系統的能力以及研發具有超大規?？蓴U展性并行應用的水平已經躋身世界先進行列。

其次，從超級計算機系統份額看，2010年我國安裝的超級計算機的上榜數量首次超越日本和歐盟，排名世界第二，僅次于美國；2016年TOP 500 中安裝在中國大陸的超算系統首次超過美國，排名世界第一，聯想制造的超算系統上榜數位列美國HPE 之后排名第二；2018年11月公布的TOP 500 榜單中，我國以227 臺數量遠超第二名美國的109 臺，其中聯想制造的超算系統達到140 臺，位列廠商第一，浪潮和曙光分別以84 臺和57 臺位列二三名，三家廠商占據281 臺超過一半，出口54 臺。2019年11月公布的TOP 500 排行榜中，我國228 臺數量遠超第二名美國的117 臺，其中聯想達到174 臺，曙光和浪潮以71 和66 臺繼續位居二三位，三家單位合計311 臺。2020年11月公布的TOP 500 排行榜中，我國繼續以213 臺數量遠超第二名美國的113 臺，其中聯想達到181 臺，繼續保持增長態勢，浪潮和曙光以66 和51 臺位居二三位，三家單位合計298 臺。2021年11月的TOP 500 排行榜中，我國繼續以173臺系統排名第一，美國以143 臺緊隨其后，中美機器數量相比前幾年變得更為平衡，但聯想仍舊以180臺數量排TOP 500 第1 名。美國雖然仍是世界超算的強國，但是其在TOP 500 上的數量已經降低到不足30% 的份額，難以恢復二十年前獨霸世界TOP 500 70%系統的盛況。

在超算應用方面，我國分別在2016、2017 和2021年SC 大會上獲得三次國際上高性能計算應用領域的最高學術獎——戈登貝爾獎。2016 和2017年獲獎的“千萬核可擴展全球大氣動力學全隱式模擬”和“非線性大地震模擬”均為基于神威· 太湖之光系統的全機應用，2021年的“超大規模量子隨機電路實時模擬”基于一臺神威新系統對量子進行了開創性的電路模擬。同時，2016、2017、2018 和2021年還有2 項、1 項、1 項和2 項工作獲得戈登貝爾獎提名。此外，2015年清華大學團隊獲得了三大國際大學生超算競賽——SC 超算大賽、ASC 超算競賽和ISC 超算競賽冠軍，成為全球第一支獲得三大超算賽事大滿貫的團隊；2016年在SC 16 大會上舉辦的大學生超算競賽中，中國科學技術大學代表隊包攬了總分和最高LINPACK 性能兩項冠軍，成為SC 大學生超算競賽自2007年舉辦十年以來首個雙料冠軍隊；2021年在SC 21 總決賽上，清華大學超算團隊再次奪得總冠軍，實現SC 競賽四連冠。這些大規模應用軟件可擴展性和性能調優方面的成績表明我國在并行軟件方面的發展方興未艾。

本文給出對中國計算機學會高性能計算專業委員會與中國工業與應用數學學會高性能計算與數學軟件專業委員會于2021年11月發布的中國高性能計算機性能TOP100 排行榜[3]數據的深入分析與展望。文中的圖表數據主要來源于中國HPC TOP100。以下將中國HPC TOP100 簡稱中國TOP100[4-9]。

1 總體性能分析

本節圖1 和表1 分別給出的是中國TOP100 的總體性能發展趨勢圖以及TOP10 計算機情況的列表。

圖1 中國高性能計算機年度性能發展趨勢(2002-2021) Fig.1 The performance trend of HPC TOP 100 (2002-2021)

和2020年11月發布的世界TOP 500 高性能計算機的情況相比較，可以看到：

（1）2021年11月世界TOP 500 總Linpack 性能達到了3,306 PFlops，是2020年2,430 PFlops 的1.36倍，增速較之去年的1.47 倍有較小幅度降低；根據2021年中國TOP100 排行榜的數據，中國TOP100的總Linpack 性能是691.3 PFlops，是2020年384.2 PFlops 的1.79 倍，增速與去年的1.11 倍相比有較大幅度提升，這說明中國超級計算的發展速度有較快恢復和增長能力。

2021年，由服務器供應商研制、部署于網絡公司的CPU+GPU 異構眾核主機系統占據榜首，它是當前中國最高性能的計算機系統，包括28,5000 CPU核，系統峰值為240 PFLOPS，Linpack 性能為125 PFLOPS，應用領域為算力服務，是排名第二的神威· 太湖之光系統Linpack 測試值的1.34 倍。中國研制的神威·太湖之光超級計算機，以93PFlops 的Linpack 性能排在TOP100 第二名。太湖之光曾蟬聯了四次世界TOP 500 冠軍，使得中國研制的國產超級計算機在世界TOP 500 的冠軍位置上保持的次數達到了歷史性的十次！2020年日本制造的Fugaku超算系統登頂TOP 500 榜首，峰值首次突破500 PFlops，Linpack 性能達到442 PFlops，2018年美國制造的兩臺超算系統Summit 和Sierra 緊隨其后，其中Summit 峰值達到200 PFlops，Linpack 性能為歷史首次突破百P 達到143 PFlops，Sierra 僅以微弱優勢超越神威·太湖之光獲得季軍，神威·太湖之光位居第四名。

（2）進入2021年11月份，世界TOP 500 機器的Linpack 性能都超過了1,649 TFlops；進入2021年，中國TOP100 機器的Linpack 性能都超過了1,986 TFlops，中國排行榜的上榜門檻再次超過世界TOP 500。中國TOP100 中有98 個系統是機群，機群體系架構的數量繼續保持絕對數量優勢。其中采用異構加速體系架構的機器數量達到了34 套，且由過去的集中在前幾名和比較大的機器，變為分散在TOP100 中，這樣的變化表明隨著深度學習等大數據應用的普及，GPU 加速的異構體系結構獲得了更廣泛的應用。

（3）世界TOP 500 中TOP 10 的最低性能都超過30 PFlops；其中IBM 制造2 臺，國家并行計算機工程中心、國防科大、日本富士通公司、Nvidia、HPE、DELL、Microsoft Azure、Atos 各1 臺。 高端能力型超算(TOP10)的研制呈現出幾家獨大的局面，中美日歐都在積極占領制高點，且都發布了E級超級計算機研制計劃，搶占下一個制高點。中國TOP100 中，TOP 10 的最低性能大于4.04 PFlops，其中服務器供應商6 臺，北龍超云2 臺，國家并行計算機工程中心和國防科大各1 臺。

（4）世界TOP 500 上的408 套系統使用Intel 處理器，依然保持81.6%的高比例，但是與2020年的459 套占比91.8%相比，仍有10 個百分點的下降，這表明了以AMD 和IBM 為代表的處理器制造商對Intel 的激烈競爭。采用異構加速體系架構的系統數量再次上升，從2020年的148 套小幅上升到150 套。中國TOP100 的趨勢與TOP 500 一致，2021年有34套系統采用了GPU/MIC 加速，雖然與2020年的39套相比有所減少，但在前十名中的占比有所增加，其中主要歸因于深度學習算法在互聯網公司的成功應用，使得CPU+GPU 的異構加速集群成為當前互聯網公司進行AI 訓練的首選體系架構。

（5）亞洲國家在世界TOP 500 上的機器數量繼續保持較高占比，從去年的267 臺降為226 臺。排行榜中有來自中國大陸的173 套系統,總數排世界第一。雖然中國上榜的數量排名世界第一，但我們應該清醒地認識到，其中大部分的機器并非應用在傳統的科學計算應用，而是新興的互聯網云計算和大數據應用。

（6）目前中國TOP100 排行榜中機器的平均Linpack 性能6.91 PFlops, 是2020年3.84 PFlops 的1.79 倍。2021年國際TOP 500 排行榜中機器的平均Linpack 性能為6.07 PFlops,是2020年4.86 PFlops 的1.24 倍，增速較去年的1.47 倍有所下降，主要原因在于排名第一的機器對平均性能的影響很大。國內和國際排行榜的平均性能雙雙首次超過6 PFlops。我國發布的神威·太湖之光和天河二號兩臺超級計算機的Linpack 性能就占到了中國TOP100 的總性能的24%，如何用好神威·太湖之光和天河二號，發揮其巨大的計算能力，做好中國的超級計算應用軟件和應用，成為未來2～3年中國超級計算行業面臨的挑戰性問題。

2 制造商分析

我們在圖2 中給出了中國TOP100 制造商的上榜機器數量份額圖。

圖2 中國TOP100 制造商機器數量份額圖（2021.11）Fig.2 Vendors system share（2021.11）

中國TOP100 上的超級計算系統出現了新面孔，北龍超云公司的五臺機器上榜，繼去年的同方和聯泰集群之后又為TOP100 增加了新面孔，北龍超云的系統是和Intel 或Dell 等公司聯合研制的，但國產超算在國內市場依然占據絕對主導地位。2021年中國TOP100 排行榜上廠商的上榜機器數量份額與去年類似，國產機器的市場份額主要被聯想、浪潮和曙光三家瓜分，聯想今年以40 臺機器獲得份額第一名，浪潮以28 臺位列第二，曙光12 臺獲得第三。

圖3 給出的是從2002年到2021年中國TOP100國內外廠商系統份額的趨勢變化情況。

圖3 中國TOP100 國內外廠商系統份額趨勢(2002–2021)Fig.3 Trend of the vendors system share（2002 - 2021）

從裝機數量上，前三名分別是聯想（40%）、浪潮（28%）和曙光（12%）。北龍超云公司作為HPC研制廠商出現在2021年的TOP100 上，并繼續占據5%的份額，其中三套系統占據了第7、10 和11 名的位置。聯想、浪潮和曙光公司雖奪得機器總數量的前三名，且總數量占比達80 臺，但其機器總性能與神威和國防科大的機器性能總和相當，說明其機器規模仍然屬于中小規模。聯想公司通過對IBM 公司X86 HPC 產品線的并購，第八次在機器數量份額上取得冠軍，但是如何保持良好的發展勢頭并持續大力投入，是聯想公司需要解決的問題。目前的中國超算市場由原來的聯想、浪潮和曙光三足鼎立的格局逐步變為了聯想和浪潮間的相互競爭。今年國外廠商在HPC 領域又通過聯合北龍超云共同研制而返回中國市場，未來如何發展值得關注。國產廠商在逐漸獲得國內市場的壟斷優勢之后，開始紛紛布局國際市場，開啟國際化的征程，其中的華為和聯想公司，因為本身公司已經是跨國公司，具備先發優勢。而浪潮公司和曙光公司2018年在國際市場也開始有所斬獲，傳出好消息。從2021年11月TOP 500 數據看，我國以173 臺數量超過第二名美國的143 臺。聯想制造的超算系統達到180 臺，位列廠商第一，浪潮和曙光分別以51 臺和36 臺位列二三名，三家廠商占據267 臺超過一半，出口94 臺，這充分說明了我國超算發展已經牢牢占據領先地位，超級計算系統會成為中國繼高鐵之后，另外一個可以出口的中國制造高科技產品。

3 行業領域分析

為便于分析，我們在圖4 給出了2021年中國TOP100 中的行業應用領域Linpack 性能份額圖。

圖4 中國TOP100 行業應用領域機器Linpack 份額圖（2021.11）Fig.4 Application field Linpack performance share（2021.11）

從2021年11月發布的中國TOP100 的行業應用領域來看，最大的變化是增加了算力服務這一類型，充分反應了算力經濟時代的到來。算力將具體的計算軟件和硬件統一地抽象為執行計算的能力。算力服務即提供算力的一種模式，是包括算力生產者、算力調度者、算力服務商以及算力消費者在內的算力產業鏈上算力經濟模式的統稱。

本文作者張云泉在2018年就提出算力經濟概念[13]，指出以超級計算為核心的算力經濟將成為衡量一個地方數字經濟發展程度的代表性指標和新舊動能轉換的主要手段[14-16]。綜合近幾年的發展趨 勢[18-19]，我們認為高性能計算當前發展趨勢已充分表明，隨著超算與云計算、大數據、AI 的融合創新，算力是當前整個數字信息社會發展的關鍵，算力經濟已經登上歷史舞臺。

首先，高性能計算與云計算已經深度結合。高性能計算通常是以MPI、高效通信、異構計算等技術為主，偏向獨占式運行，而云計算有彈性部署能力與容錯能力，支持虛擬化、資源統一調度和彈性系統配置。隨著技術發展，超級計算與容器云正融合創新，高性能云成為新的產品服務，AWS、阿里云、騰訊以及百度，已經都基于超級計算與云計算技術推出了高性能云服務和產品。

其次，超算應用從過去的高精尖向更廣更寬的方向發展。隨著超級計算機的發展，尤其是使用成本的不斷下降，其應用領域也從具有國家戰略意義的核武器研制、信息安全、石油勘探、航空航天和高冷的科學計算領域向更廣泛的國民經濟主戰場快速擴張，比如制藥、基因測序、動漫渲染、數字電影、數據挖掘、金融分析以及互聯網服務等等，可以說已經深入到國民經濟的各行各業。從近年TOP 100 來看，超算系統過去主要集中于科學計算、政府、能源、電力、氣象等領域，而近五年互聯網公司部署的超算系統占據了相當大比例，主要應用為云計算、機器學習、人工智能、大數據分析以及短視頻等。這些領域對于計算的需求急劇上升，超算正與互聯網技術進行融合。

再次，國家層面已經制定了戰略性的算力布局計劃。2021年5月國家發改委等四部門聯合發布《全國一體化大數據中心協同創新體系算力樞紐實施方案》[18]，提出在京津冀、長三角、粵港澳大灣區、成渝以及貴州、內蒙古、甘肅、寧夏建設全國算力網絡國家樞紐節點，啟動實施“東數西算”工程，把東部的數據送到西部進行存儲和計算，在西部建立算力節點，改善數字基礎設施不平衡的布局，有效優化數據中心的布局結構，實現算力升級構建國家算力網絡體系[19]。

最后，人工智能的算力需求[20]已成為算力發展主要動力。機器學習、深度學習等算法革新和通過物聯網、傳感器、智能手機、智能設備、互聯網技術搜集的大數據，以及由超級計算機、云計算等組成的超級算力，被公認為是人工智能時代的三駕馬車[17]，共同掀起最新一輪的人工智能革命。在人工智能蓬勃發展這一背景下，虛擬化云計算向高性能容器云計算演進，大數據與并行計算、機器學習融合創新就成為了產業發展的最新方向。在智能計算評測方面，已經提出了包括AIPerf 500[21]在內的眾多基準測試程序，這是對傳統Linpack 測試標準的有力補充。

這些發展表明超算技術向產業滲透的速度加快，我們已經進入一個依靠算力的人工智能時代，這也是未來發展的必然趨勢之一，隨著用戶對算力需求的不斷增長，算力經濟必將在未來社會發展中占據重要地位。

從Linpack 性能份額看，算力服務以46%的比例占據第一，超算中心占24%排名第二，人工智能、云計算和短視頻分別以9%、5%和4%緊隨其后。人工智能占比的持續增加與機器學習等算法和應用的快速崛起，以及大數據中的深度學習算法的廣泛應用有很大關系，互聯網公司通過深度學習算法重新發現了超級計算機特別是GPU 加速的異構超級計算機的價值，紛紛投入巨資建設新系統。

綜合來看，目前的算力服務、超算中心、人工智能、科學計算等領域是高性能計算的主要用戶。互聯網大數據特別是AI 領域增長強勁。

根據歷年積累的數據，我們在圖5 中給出了中國TOP100 從2002年到2021年的應用領域趨勢圖。

圖 5 中國TOP100 應用領域趨勢(2002–2021)Fig.5 Trend of application field system share (2002 - 2021)

4 展望

綜上，2021年中國TOP100 排行榜的主要亮點如下：

（1）由服務器供應商研制、部署于網絡公司的CPU+GPU 異構眾核主機系統占據榜首， Linpack 性能為125 PFLOPS，結束了神威·太湖之光連續5年蟬聯中國TOP100 冠軍歷史；

（2）聯想位列中國TOP100 數量份額第一名；

（3）TOP100 總體性能接近6,913PFlops，中國高性能計算市場的增速繼續降低；

（4）TOP100 平均性能為6.9PFlops，繼續超過國際TOP 500 平均水平；

（5）入門系統性能門檻繼續提升，達到1,986 TFlops，再次大幅度超過國際TOP 500 的入門系統性能1,649 TFlops；

（6）98 套系統采用機群結構，計算機體系結構創新形勢依然嚴峻；

（7）上榜高性能計算機制造商為9 家，國產率95%，市場份額集中在聯想、浪潮和曙光三家廠商，占據80%的數量份額；

（8）應用領域新增算力服務，充分反映了在大數據、人工智能算法和算力三駕馬車協同配合時代中算力經濟的發展。

2021年11 月公布的最新TOP 500 排行榜與往年相比沒有太大的變化，仍然沒有出現E 級超算，并且前九名系統與上期排行榜相比沒有變動。日本計算科學研究中心的超級計算機“富岳”在運算速度等四項性能排名上位居世界第一。這也是“富岳”連續四期獲得“四冠”殊榮，該成績在全球尚屬首次。但日本超算的發展其實并不猛烈，甚至有些“強弩之末”。事實上，由于中美超算競爭激烈，尤其是美國對中國超算技術卡脖子，日本成功“偷襲”TOP 500 榜單并竊取冠軍位置兩年之久。美國的E 級機“Frontier”并未按原計劃沖擊今年11月的全球超級計算機TOP 500 榜單第一名的位置。日本的“富岳”由于功耗過高，也并不具備爭奪世界上第一臺E 級機的資格。據公開報道顯示，中國在E 超算領域布局已久。目前已有“神威”E 級原型機、“天河三號”E 級原型機和曙光E 級原型機三個不同技術路線的原型機系統完成交付。目前看來，中美兩國的E 級機世界冠軍決戰可能最早要到2022年6月才能一見分曉。

利益沖突聲明

所有作者聲明不存在利益沖突關系。