高性能计算机的发展与政策

高性能计算技术和产业正在逐步发展和繁荣. 从仅满足国家战略部门对绩效的最高需求到考虑到市场驱动，应用程序推广和工业化，中国的高性能计算已经突破了封锁和垄断以及引领创新的“三山”，逐渐缩小了差距具有国外先进的研究水平，并在系统设计和关键技术上取得了世界领先的成就.

文章分析了超级计算机的发展趋势和曙光机的发展道路，并将高性能计算机的发展面临的挑战归纳为两点: 摩尔定律失效前可持续发展的E级系统，以及后摩尔定律时代的超级计算系统的革命性技术. 针对这些挑战，本文围绕“面向世界科学技术的前沿，面临国家的重大需求和面临国民经济的主要战场”，进一步阐述了有关开发高性能计算机的政策建议.

1超级计算的发展趋势是向“空中”和“现场”发展

1964年，由西摩·克雷（Seymour Cray）开发的被称为“超级计算之父”的CDC 6600发行并安装在美国的利弗莫尔和洛斯阿拉莫斯国家实验室. 它开启了60年来高性能计算技术和行业不断发展和表现的局面. 繁荣. 超级计算的宏观发展趋势是“空中”和“立于地面”.

“定天”意味着高性能和快速的计算. 对计算速度的需求无穷无尽，因此，达到性能顶峰是首要动力.

“站点”的含义是它被广泛使用并且具有大量的单元. 超级计算机的本质仍然是高端计算设备. 各行各业的工业规模的形成是两轮驱动超级计算发展的又一个轮子.

高性能计算60年的发展可以简单地分为两个阶段: 克雷时代和多计算机时代（表1）.

①克雷时代. 从1960年代初到1990年代初的30年被称为“克雷时代”. 以单存储向量机的技术创新为主导，Cray在过去30年中定义并领导了高性能计算市场. 前30年的研发工作集中在“定天”上，仅服务于国家战略部门.

②多台计算机的时代. 从1990年代到现在的最近30年被称为“多计算机时代”. 由于微处理器的出现和大量工业标准硬件的普及，可以扩展多个通用和商业计算组件的互连. 迄今为止，系统结构的技术创新已导致高性能计算的发展. 在未来30年中，高性能计算机将满足国家战略应用程序的最高性能要求. 同时，“站点”已成为发展的主要目标. 市场驱动的高性能计算应用程序已成为第二阶段的突出特点.

美国教授杰克·东格拉（Jack Dongrra）于1993年发布了全球超级计算机TOP500排名，这成为了高性能计算机发展的风向标. 世界上最快的浮点计算机已从1988年的2 Gflops增长到2018年11月的143 Pflops，增长了760亿倍.

高性能计算机被视为争夺世界的各个国家的战略制高点，并且是该国最重要的事情. 西方国家对中国施加了长期的技术封锁和市场垄断. 从历史上看，巴统对中国的计算机实施了性能指标方面的限制，计算机必须保存在玻璃房中，以供外国员工监督和使用. 事件.

目前，中国高性能计算机领域的无用，不合适和不可利用的严重问题制约着国家的可持续发展.

①没有用. 正如李国杰院士在当年给国家科学技术委员会的一份报告中指出的那样: “尽管中国还开发了一亿台计算机，亿万次，但总体而言，中国的计算机水平已经落后于国外十多年了. . ”在计算资源严重短缺的情况下，该国开发的高性能计算机系统数量有限，只能满足该国几个重要战略部门的需求，而可供其他用户使用的计算机的性能则更高. 比国外要差10年.

②不适用. 可用的系统主要是“专用”系统，例如大型机和并行计算机（MPP）. 这里专用的含义并不意味着它们只能运行某些应用程序世界高性能计算机，而是意味着组件是经过专门设计的，例如CPU板，内存板，I / O板和操作系统，这些组件不能在其他系统中使用. 结果，用户基础狭窄，仅在科学计算的“象牙塔”中使用. 它不能满足各行各业的迫切需求，并且计算效率也很低.

③买不起. 由于高性能计算机一直被视为最重要的国家，因此，国内市场被IBM等外国公司垄断，价格昂贵. 国产品牌的市场基本上为零. 由于技术框架的限制，国内科研机构开发的高性能计算机系统数量有限，性价比很高，无法推广，也不能形成产业.

作为中国高性能计算机发展的重要力量，中国科学院计算技术研究所，国防科学技术大学，江南计算所等国内企业和机构一直在不懈努力. 自1990年代以来追求并超越了美国和日本. 等待西方国家高性能计算机的发展.

在“ 863”计划306主题的支持下，中国科学院计算技术研究所建立了国家智能计算机研究开发中心（以下简称“智能中心”）. “顶部的天空”和“站点”. 高性能计算机.

特别是，必须克服广泛应用，大量单元以及形成高性能计算机产业的困难. 从共享存储对称多处理器结构（SMP）到并行处理结构（MPP），最后是开发集群系统（Cluster）架构，着重于低成本高效架构和并行处理技术的开发，从而有效地实现“ 863计划提出了战略”. 为基础理论创新，关键技术突破，应用推广和产业化推广做出系统的贡献.

“黎明”路上的“三叉戟”

当智能中心开始开发“黎明”高性能计算机（以下简称“黎明”）时，它正赶上国际高性能计算发展的技术转折点. 经过深入和反复的研究，智能中心建立了2个基本点:

①尽管计算机技术的发展日新月异，但已经形成了一系列国际工业标准. 要开发出能够满足市场需求并且“势不可挡”的高性能计算机，一定不能偏离工业标准；对于卧式，有必要在增值链中选择最佳的增值环节进行创新，并降低成本效益比，缩短开发周期，并在机器启动时获得市场竞争力.

在一致理解的基础上，智能中心按照“ 863”计划中“发展高科技和产业化”的目的，明确提出了曙光机的发展. 其内涵是: 系统地开发集群架构技术系统，这使得Sugon的计算速度不断提高，适用领域不断扩大，机器数量不断增加，即“黎明”的“三叉戟”. 道路性能，应用和行业. “黎明”团队的科研人员坚持了30年的发展历程，并已被部署为国家互联网应急中心以及上海，深圳和中国科学院的三个国家超级计算中心的主要国家武器.

Sugon突破了成本效益低的集群体系结构的关键技术，考虑了计算速度，应用范围和工业规模，开发了集群存储器访问技术系统.

（1）速度增加了1.2亿倍. Sugon的计算速度之路已经赶上并超越了具有自己特色的世界最高水平. 一方面，国际主流技术的发展，并行处理技术的决定性选择是基于对称多处理器结构，并行处理结构的发展，然后转变为一组通用处理组件，具有国际化主流技术赶上世界最高水平. 另一方面，在增值链中开发自己的核心技术，例如高速互连网络，集群操作系统等，已经解决了世界范围内难题，即使用低成本通用组件来实现高性能计算机的难题. 制造高性能的整机. 它支持集群访问技术系统的可扩展设计，成功地将集群的规模从数十个扩展到数千个（图1）. 该系统一直在不断丰富，直到今天仍在使用. 它为中国高性能计算机的开发开辟了集群体系结构的新技术道路.

（2）该应用程序涵盖46个行业（图2）. 像以前的朝代系统一样，黎明机器的开发在应用程序推广方面也遇到了困难: 在国外购买的应用程序软件不能在黎明机器上运行.

基于“做某事，做某事”的原则，当集群操作系统尚未形成世界性的行业标准时，Sugon率先实现了具有微内核单一映像机制的集群操作系统. . 实现操作系统核心功能的关键技术使运行在国外高性能计算机上的行业应用程序可以轻松迁移到本地计算机，从而成功地在石油勘探行业中移植了大量核心软件.

同时，以网络和生物数据为代表的大多数工业应用程序都是数据密集型的，具有大量数据，并且应用程序之间的计算特性差异很大，因此需要快速计算和低功耗. 因此，仅扩展系统的规模效率非常低，并且会遇到功耗上限. 通过突破基于计算访问模式的负载加速技术，智能中心发展了高性能飞机集团，以将黎明机推向多个行业，使曙光机成为国家战略部门（如美国）的核心设备. 国家互联网应急响应中心并部署到20个许多城市云计算中心已成为中国公共计算基础架构的主要模型.

（3）中国的TOP100份额排名第一（图3）. 曙光机坚持不盲目地比较计算速度，始终坚持“顶天”和“落地”. 为了占领市场，Sugon团队提出了SUMA的系统设计概念，即可扩展性，可用性，可管理性和可用性. 坚持专注于集群系统中最高附加值的技术，例如紧密相关的可伸缩文件系统的开发世界高性能计算机，零拷贝用户空间消息传递，单个IP登录点以及在不知道来源的限制下的其他关键技术节点操作系统的代码，实现了整个集群数百个处理单元的系统管理，资源管理，作业管理和单个图像的文件管理.

黎明机器可以扩并确保性能接近线性增长；同时，他们确保在缩减规模时，它们在成本方有竞争力，使集群的六个主要子系统的工作标准化，并支持规模化工业化. 曙光不仅成为国内第一家以高性能计算机为主要业务的上市公司，还通过人员转移和技术辐射帮助了联想和华为等公司，支持了中国高性能计算机产业的形成和发展.

3在中国高性能计算的发展道路上攀登“三山”

中国高性能计算的发展概况是中国研究人员的辛勤工作和开拓过程，它打破了封锁（1956-1995年），垄断（1996-2015年）和领导创新（2016年至今） ））的“三山”（表2），逐渐缩小了与国外研发水平的差距，并最终在机械系统设计和关键技术上取得了世界领先的成就.

3.1打破封锁

在现阶段，在外国封锁的条件下，中国开发了特殊的高性能计算机来为诸如“两枚和一颗星星”等国家重大战略需求提供支持. 开发的机器的主要应用是在国防和军事领域，以及传统的科学计算领域. 代表性系统包括管式计算机（例如103、104和119），晶体管计算机（例如109 B和109 C）以及基于中小型集成电路的计算机（例如DJS系列，757和“ Galaxy” -I”，以及基于超大型集成电路（例如“银河II”，“ Dawning One”和“ Dawning 1000”）的计算机. 由于电子计算机技术本身在国内的发展比国际上的发展晚，因此随着西方国家的封锁和禁运，这些机器的发展只能采用“全部使用国内设备，依靠自己的技术力量”的技术路线，而这种技术路线大多被消耗，而且发展周期长，无法实现研发成果的商业化和工业化，但这对打破外国封锁具有里程碑意义. 西方国家宣布“曙光一号”诞生仅三天取消对中国的10亿计算机禁运.

3.2打破垄断

随着中国各个行业对高性能计算的需求的快速增长和多样化以及改革开放的浪潮，许多国外高性能计算机品牌（例如IBM，HP，SGI，SUN，等）已涌入中国市场. 这些国际巨头已经在民用市场上形成了垄断地位.

根据国家“ 863”计划的部署，智能中心承担着探索改革开放条件下开发高性能计算机的新途径，“双赢”的重要任务. 和地面. ”黎明集团高性能计算机在市场上的激烈竞争完全改变了主要国际制造商建立的游戏规则，迫使大型外国公司采用“跳高价格”. 有一时间，IBM服务器在中国市场的平均折扣令人难以置信的94％，也就是说，价格为100万美元的服务器平均售价仅为6万美元.

由于其在技术和市场上均可以与国际巨头媲美，因此许多行业的应用具有更高的性能，更便宜的价格和更低的功耗. 中科曙光已成为国内第一家以Performance Computer为主要业务的上市公司. 通过建立国家超级计算中心，“神威”和“天河”系列超级计算机还为大量高性能计算用户服务. 目前，高性能计算已基本在中国的科研机构和大学中普及.

3.3领先的创新

由于高性能计算机的“国家分量”的特殊属性，随着中国高性能计算机技术和产业的发展，西方国家已开始从产业链和技术层面对其加以遏制.

一方面，“钳住”核心组件，例如高性能处理器，高性能和高性能互连芯片；另一方面，加快破坏性架构和核心技术的开发. 中国高性能计算的科学技术人员已经意识到了这一严峻形势，并决心走领先的创新之路. “曙光”，“神威”和“天河”都开始独立开发高性能处理器和，并使用其核心组件来构建世界上最快的计算机. 2010年6月，“黎明6000”系统位居世界第二，从此拉开了中国高性能计算机继续在超级计算中排名前三的序幕. 基于英特尔MIC异构拥挤内核的“天河I”和“天河II”系统以及神威片上异构拥挤处理器的“神威·太湖之光”系统位居世界第一. GordonAI还获得了基于“神威·太湖之光”超级计算系统的多种负载的测量性能. 它也超过了世界排名最高的峰会.

在数据密集型，人工智能和生物基因测序等新应用中，智能中心开发了突破性的体系结构和关键技术. 早在开发“ Dawning 4000”系统时，智能中心就开始将数据密集型应用视为重要负担. 应用程序加载所呈现的存储空间不规则，访问时间不规则，计算访问率低. 为解决这一问题，开发了高通量计算的基本理论，关键技术，核心芯片和完整的系统. 对于人工智能应用，已经开发了基于“寒武纪”神经网络处理器的智能超级计算系统，其性能有望影响世界上最高的指标.

4个挑战

高性能计算机的发展挑战可分为: 在摩尔定律失败之前如何构建E级系统，以及后摩尔定律时代的革命性技术.

（1）E级系统的可持续建设. 高性能计算已进入E级时代（1018）. 中美双方都宣布了开发E级超级计算机的计划. 尽管基本了解突破E级计算障碍的技术路线，但是如何构建可持续的E级超级计算系统（例如具有数百个Eflop的系统）的技术路线尚不清楚. 在新设备日趋成熟之前，最大的挑战是如何在高性能计算机体系结构和系统技术方面进行创新，以应对整个系统组件的复杂性和难以承受的能耗，并继续开发具有以下特点的系统: 数百个Eflops.

（2）后摩尔定律时代的超级计算系统. 随着集成电路的发展进入后摩尔时代，器件特征尺寸已接近物理极限，当前器件的原理和结构已难以满足未来Z级（1021）甚至更高性能Y的要求. 级（1024）超级计算机. 如何利用新设备是后E时代构建超级计算系统的主要挑战，其中包括: 基于光学计算和超导计算原理的新设备，基于硅光学技术的新互连以及量子计算机.

5条政策建议

作为技术战略的制高点，高性能计算机是“三个方向”的典型代表. 因此，以下围绕“面向世界科学技术的前沿，面对国家的重大需求，面对国民经济的主要战场”，描述有关中国高性能计算机发展的政策建议.

（1）面向世界科学技术的最前沿. 高性能计算机的发展代表了电子信息技术发展的前沿. 建议使用光学计算机，超导计算机，硅光学集成技术，用于Z级计算的集成存储和计算设备以及用于Y级计算的量子计算机和非图形. 智能计算模型和其他方面应加强以下方面的突破性突破: 基础前沿技术.

（2）面对国家的重大需求. 高性能计算机始终满足国家的主要需求，例如，航空航天，高能物理和气候模拟应用. 高性能计算机已成为这些战略领域的基础设施. 除了以科学计算为核心的这些应用程序之绕数据科学和智能计算开发的应用程序已成为该国的主要新需求，并且对高性能计算提出了越来越高的挑战. 特别是，迫切需要构建用于大数据科学和人工智能的高性能计算基础架构. 同时，有必要对高性能计算机系统的评估指标进行相应的调整. 不能使用Linpack指标作为唯一的指标来测量高性能计算机，而要进行快速，大量的计算以及研究多维测量系统. 指导高性能计算机的健康全面发展.

（3）面对国民经济的主战场. 回顾中国高性能计算的发展历史，与计算机的发展相比，高性能计算机的推广和应用过程更加困难. 钱学森在1980年代指出，巨型计算机的发展必须首先解决并行计算问题，包括机器软件和计算软件. 他严重批评过去忙于机器的工作. 至于几乎没有引起多少注意，他曾在签名的文章中大喊: “这个问题必须在议程上提到，这样才能充分发挥巨型机器的作用. ”严峻的问题，一方面，我们必须充分注意应用软件，另一方面，我们必须注意促进高性能计算普及的技术，例如云超级计算，云并行编程，等等.

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