我国超算产业发展研究

Gauss松鼠会
进士 2022-05-24 09:48:33
摘要：超级计算是一个国家综合国力的体现，是支撑国家持续发展的关键技术之一，在国民经济建设、科学研究、国防安全中占有重要的战略地位。近年来我国超算产业迎来了飞速发展的阶段，超算逐渐成为促进社会经济可持续发展、产业转型升级和提高人民生活水平的重要手段之一。通过介绍当前国内外超算产业发展现状，指出当前我国超算产业发展价值和主要面临的问题，并从不同方面提出了发展建议。

0  引言

超级计算，又称高性能计算，是计算科学的重要前沿分支。自20世纪80年代以来，超级计算一直为气象预报、航空航天、海洋模拟、石油勘探、地震预测、材料计算、生物医药等领域提供算力支撑[1]。随着国内计算创新模式兴起、产业信息化提升、新一代信息技术发展，超算的应用场景及需求越来越多。超算从提供软硬件资源为主逐渐转变为提供算力服务、打造超算应用服务生态为主。超算是我国算力产业链中的重要一环，培育应用场景,支撑应用创新发展[2]。

1  国外超算产业发展现状

1.1  全球超算市场规模日益扩张

5G、大数据、人工智能、区块链等新一代信息技术快速发展，多样性算法复杂度的不断提高以及应用场景多元化等因素使得超级计算方案需求不断增加。全球超算产业规模近年来整体呈增长趋势，全球超算产业市场规模在2019年突破275 亿美元。2020年，受全球新冠肺炎疫情影响，部分厂商产品出货有所延迟或因相关预防措施导致减产并暂时关闭工厂，导致超算产业市场规模在2020年下降至239 亿美元左右，降幅约13.4%[3]。

1.2  全球超算竞争不断掀起新高潮

从2021年11月发布的全球超级计算机TOP 500榜单中各国超级计算机数量来看，中国共有173台超级计算机上榜，上榜数量连续9次位居第一，但数量较上期减少了13台。美国以150台位列第二，比上期增加了27台，中美两国上榜的超级计算机数量占榜单总量的近2/3。TOP 10榜单变化不大，日本的富岳Fugaku第4次封冠，我国最快的超级计算机神威·太湖之光仍是第4名，天河二号仍是第7名。第1~9名与2021年6月发布的TOP 500榜单相同，只有第10名是新进者：微软Azure东2区的Voyager-EUS2。从2021年11月发布的全球超级计算机TOP 500榜单中超算计算机部署厂商份额来看，市场集中度高，排名前5的厂商分别为联想、HPE、浪潮、Atos、曙光，所占总份额为78%。中国的厂商表现优异，联想、浪潮、曙光的入围数量分别达到了180台、50台和36台，在供应商入围数量上分别夺得第1名、第3名和第5名[4]。

1.3  各国纷纷发力超算

E级超算全球竞争激烈。美国是超算领域的传统强国，在“Strategy for American Innovation”计划中将E级超级计算机列为21世纪最主要的技术挑战。目前，已构建了三大E级超算体系：美国能源部DOE体系、国家科学基金会NSF体系、航空航天体系（国家航空航天局NASA为代表）。近年来，为反超中国超算世界排名第一的位置，美国采取“芯片禁售令”、列入“实体清单”等一系列措施对部分中国超算单位施加压力，以限制中国超算的发展。日本作为工业大国与超算强国，自20世纪80年代中期开始，其自主研发的超级计算机的性能屡创佳绩，目前依托于专业研究机构和高校的E级超级计算机也在抓紧研制中。欧盟在超算软件和应用研究上较有特色，PRACE、DEISA等E级超算研究项目为欧盟超级计算行业发展奠定了坚实的基础。我国高度重视E级超算的开发和研究，国防科技大学、中科曙光和江南计算技术研究所同时获批牵头E级超级计算的原型系统研制项目，形成中国E级超级计算“三头并进”的局面[5]。

2  国内超算产业发展现状

2.1  我国超算规模不断扩大

经过近十年的快速发展，中国在超算领域的实力已达到世界先进水平。1993年，中国第一台高性能计算机“曙光一号并行机”研制成功，打破了国外IT巨头对我国超算技术的垄断。自此，中国不断加快超级计算机研制步伐。从全球超级计算机TOP 500榜单来看，来自内地的超级计算机制造厂商份额不断提升，逐渐和美国并驾齐驱。截至目前，我国共挂牌8座国家级超算中心，分别位于天津、长沙、济南、广州、深圳、无锡、郑州、昆山。各地方、各行业、各高校也在积极推进高水平超算中心建设，我国超算发展水平正在加速上升中。

2.2  我国超算性能逐年提升

我国超级计算机发展迅速，在自主可控、峰值速度、持续性能、绿色指标等方面不断实现突破。全球高性能计算机TOP 500榜单的榜首位置曾长期被美、日、欧等霸占。但进入21世纪以来，多台来自中国的高性能计算机开始登顶榜首，“神威·太湖之光”与“天河2号”多次夺得冠军[6]。根据中国计算机学会HPC专业委员会和中科院计算技术研究所统计，2002年我国超级计算机平均性能仅为0.09 TFlop/s[7]，到2020年已经快速发展到3842 TFlop/s[8]，增加了4万多倍。根据最新发布的2021中国超级计算机（HPC）性能TOP100榜单[9]，2021年全部上榜的100台超算系统的平均性能，相比2020年提升79%。2021年的“第一名”超级计算机的性能是2020年的1.34 倍，2021年的“最后一名”的性能是2020年的1.06倍。

2.3  我国超算企业龙头效应显著

在核心技术积累和规模效应叠加等多重因素下，我国超级计算机龙头企业聚集效应明显。2021年发布的中国超级计算机性能TOP 100榜单中[9]，排名前3的厂商份额合计占上榜系统份额的80%，分别是联想（40 套系统）、浪潮（28 套系统）、中科曙光（12 套系统），但前三强性能占比仅为28%，性能仍有较大进步空间。中国超算要想更上一层楼，中国超级计算机厂商不光在交付能力上要保持领先，更重要的是需要在超级计算机新技术高峰上集聚势能。

3  超算产业发展价值

3.1  超算产业链逐步完善

近年来，我国超算进入快速发展的阶段，以国家级超算中心为主的国内超算平台正在加强寻求可持续性发展，在服务于国家、地方重大应用需求外与用户加强合作，提高应用服务能力，将相关应用的开发经验、成果向行业、产业界横向辐射联结，逐步建设我国完整的超算应用生态环境，打造完整的超算产业链，充分发挥超算产业支撑经济发展的重要作用。在此发展背景下，我国初步形成的超算产业链由上、中、下游构成,上游主要包括硬件资源（计算、存储、网络等）、软件资源（基础软件、应用软件等）、配套基础设施资源（配电、制冷等），中游是对上游的资源进行整合，提供强大的超算资源并为相关需求行业提供超算服务及解决方案，下游是应用层，包括超算衍生产业和重点应用领域（见图1）。

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3.2  超算产业推动科技进步

超算的传统应用领域是科学研究，如环境预测、能源勘探、工程仿真、新材料研究、生物医药等[10]。时至今日，超算及相关技术已衍生至大数据、物联网、人工智能等新兴技术领域，超级计算机已经成为支撑我国信息化发展的基础设施，正在逐步发展成为城市的算力大脑，汇聚和计算海量数据、优化城市管理和服务以及改善市民生活质量。随着超算产业生态环境的建立和完善，通过充分整合产业链上下游的资源，不仅可以推动超算传统科学研究领域的技术创新，还可以强化超算应用技术在新兴科技领域的辐射能力，将切实起到引领科技进步的核心作用。

3.3  超算产业助推经济增长

超级计算及相关技术应用将为算力需求企业起到至关重要的推动作用，保障生产效率与质量，实现技术升级产业转型。目前，超算正在通过先进电子技术、计算服务、软件应用等方式为我国重点行业提供算力服务，超算产业生态链的建设将会对超算应用领域相关产业调整及升级转型起到实质性推动作用。超算产业生态环境的建立和完善可以带来延伸性经济增长，对包括工业、软件和信息服务业、电子信息业在内的大部分行业产值都具有较为显著的带动性，具体表现在产业产值增长、生产效率提升、商业模式创新、用户体验优化等方面[11]。

4  我国超算产业发展存在的问题

4.1  国产芯片研究起步较晚,核心技术一定程度上依赖国外

超级计算机的核心硬件CPU与GPU市场呈现马太效应，CPU主要由Intel与AMD领跑，GPU市场由英伟达等国际巨头掌握关键技术话语权[12]。近年来，我国高度重视超级计算机核心芯片自主国产化研究，海光国产x86架构CPU、DCU深度计算单元、国防科大飞腾CPU以及江南计算技术研究所的申威处理器均已获得大规模的应用。但国产芯片研究起步较晚，CPU、GPU等超算核心芯片指令集架构领域仍然存在明显短板，缺乏高端芯片制造能力。EDA和编程平台长期面临卡脖子风险，核心设备依赖进口，自主权和议价权仍由国外巨头掌控。产业链生态发展不完善，严重掣肘了我国超算产业的发展。

4.2  我国超算软件生态仍然薄弱，牵制超算产业链稳固发展

现阶段国内超算软件生态仍然是薄弱环节，软件的开发能力较弱，操作系统、管理软件、应用软件市场仍由国外巨头掌控。操作系统方面超算主要使用国际通用Linux开源软件，我国以开源基金、开源社区、开源技术、商品化产品为核心的自主开源生态循环尚待建立。管理和应用软件方面，主要依赖于采购国外昂贵的商业软件，自主研发能力不足。国内部分超算应用单位通过积极探索和研究，开发了一些重大行业超算应用软件，但主要用于自研自用，没有进行商业推广，缺少相应的产业化工作，导致较难被行业更多用户认可和使用。

4.3  超算专业人才不足，制约超算产业链发展进程

高端专业人才是产业发展的重要基石，随着我国超算行业进入快速发展阶段，对满足产业发展的人才需求呈现空前增长态势，尤其是对优质产业人才的需求正在不断扩大。目前，我国高端超算人才主要集中在国内外一些规模较大的超级计算机厂商以及国家级研究机构中，超算专业人才整体相对稀缺。超算专业人才的稀缺使得超算产业链链条企业发展受阻，无法快速提升研发领域的技术创新能力，难以形成自身的技术优势或差异化优势，进而制约超算产业整体发展进程。

4.4  产业发展路径不明确，商业模式需进一步探索

超算产业具有技术涉及面广、研制周期长、投资巨大、参与者多、链条辐射面广的突出特点，产业链生态的建设和运营需要财政和财政外资金的高投入，也需要依靠技术先进的市场化企业进行精细化管理。从全国范围来看，当前我国超算产业的发展路径还不太明确，主要依靠于建设超算中心的地方政府及企业自主探索。超算行业本身也无统一的成熟商业运营模式，超级算力的使用方式、应用场景、收费模式在全国还未形成统一范式，如何商业化运营是产业发展中亟需解决的重难点问题。

5  超算产业发展建议

5.1  加速超算产业生态建立

应以具有竞争力的市场主体为核心，推动超算产业链上下游间的资源要素整合，进行业务流程再造和组织机制重构，形成超算产业各方深度合作、共生共荣的良好发展生态[13]。在国家层面应予以战略统筹，各超算中心所在地方政府应主导制定科学分析的、长期投资的、多部门合作的中长期远景规划，加速形成完善且具有地方特色的超算产业生态环境。

5.2  鼓励核心技术自主研发和应用

鼓励相关企业开展超算核心技术研究，加大计算芯片、存储器、服务器的研发投入[14]，提升硬件设备的整体使用性能，形成自主研发超算硬件生产体系。加速基础软件、管理软件和应用软件的生态构建，对于超算软件短板采用“购买—吸收—研发—创新”的方式解决，促进软硬件协同发展，确保我国超算产业核心链条能够长效可持续发展。

5.3  加快完善超算市场管理机制

以市场为导向，以企业为主体，产学研用相结合，建立完善的管理机制，设置必要的监督管理机构，保障我国超算产业优质化发展。综合考虑市场需求适配、区域协同等因素，科学论证超算产业项目建设可行性，形成多批次、多维度的超算产业生态。

5.4  探索产业商业发展新模式

鼓励企业、高校、研究机构合作研究超算成熟商业运营模式，在超级算力的使用方式、运维管理、收费模式等方面统一标准。鼓励开展超算关键通用技术、关键领域技术、安全技术的研发工作，围绕产业创新和生态构建，开展领域标准研究与应用实践，推动超算产业科学发展。

6  结束语

随着超算技术进步和应用领域的不断拓展，我国超算产业已经进入了由研转用的重要发展时期。在数据成为新的生产要素，算力成为核心生产力的数字经济时代，如何抢抓新一轮超算发展的历史机遇，持续增强超算的全方位能力，进一步加快我国超算产业化发展，支撑新旧动能转换，将是接下来一段时间研究的核心主题。

参考文献

[1] Alice Pannier. Strategic calculation: high-performance computing and quantum computing in Europe’s quest for technological power, 2021.

[2] 历军. 中国超算产业发展现状分析[J]. 中国科学院院刊, 2019,34(6):617-624.

[3] Hyperion Research. 2020 HPC market report update[R], 2020.

[4] 全球超级计算机评估组织. TOP500榜单[EB/OL]. (2021-11-15)[2022-02-01]. http://www.top500.org/.

[5] 周倩. 超算国际竞逐赛[J]. 中国工业和信息化, 2018(8):74-79.

[6] 张云泉. 2018年中国高性能计算机发展现状分析与展望[J]. 计算机科学, 2019,46(1):1-5.

[7] 中国计算机学会高性能计算专业委员会. 2002年中国高性能计算机性能TOP100排行榜[EB/OL]. (2002-11-15)[2022-02-01]. http://www.hpc100.cn/top100/1/.

[8] 中国计算机学会高性能计算专业委员会. 2020年中国高性能计算机性能TOP100排行榜[EB/OL]. (2020-11-15)[ 2022-02-01]. http://www.hpc100.cn/top100/19/.

[9] 中国计算机学会高性能计算专业委员会. 2021年中国高性能计算机性能TOP100排行榜[EB/OL]. (2021-11-15)[ 2022-02-01]. http://www.hpc100.cn/top100/20/.

[10] 党岗, 程志全. 超级计算中心核心应用的浅析[J]. 计算机科学, 2013,40(3):133-135+166.

[11] 孙凝晖, 谭光明. 高性能计算机发展与政策[J]. 中国科学院院刊, 2019,34(6):609-616.

[12] 王月, 柯芊. 智能计算中心:人工智能时代的算力基石[J]. 中国电信业, 2021(S1):11-15.

[13] 何宝宏. 构建更高质量的新型数据中心产业生态[J]. 中国电信业, 2021(S1):1-4.

[14] 中国信息通信研究院, 开放数据中心委员会. 数据中心白皮书[R], 2020.