中国高性能计算机发展现状分析与展望

张云泉

2016年被称为“中国超算大满贯年”，实现中国研制的国产超级计算机8连冠；中国高性能计算机首次获得戈登·贝尔奖。

Linpack测试结果是衡量高性能计算机的一个重要指标。自1993年起，国际上根据这个指标对世界范围内的计算机进行排行，一年两次，前500名进入排名（简称TOP500）。由此，这个排行榜越来越多地获得人们的重视，成为高性能计算机研制生产、市场发展、应用交流和趋势分析预测的重要参考。中国自2002年起开始向国际申报Linpack测试结果，同年联想深腾1800万亿次机群名列世界TOP500第43名，结束了在世界TOP500排行榜没有国产高性能计算机的历史。

自2002年起，中国的高性能计算机在国际上屡创新高，体现了我国高性能计算机的发展速度，同时也带来了巨大的发展动力。2010年9月，国产“天河一号”位列当年11月TOP500排行榜的第一名，实现历史突破。这一年，中国多台设备榜上有名，数量上首次实现超越日本和欧盟，位列世界第二（第一是美国），标志着我国超级计算机硬件的研制水平達到国际领先水平。2013年 6月，由国防科大研制的“天河二号”超级计算机位列世界TOP500第一名，实现6连冠。

2016年被称为“中国超算大满贯年”。中国的TOP500上榜数量首次超过美国，位列世界第一；联想生产的高性能计算机系统首次闯入世界前二强，位居美国HPE之后；“神威·太湖之光”超级计算机再次取得世界TOP500冠军位置，实现中国研制的国产超级计算机8连冠；中国高性能计算机首次获得戈登·贝尔奖；中国科技大学安虹教授带领的大学生团队代表中国夺得2016年度世界大学生集群大赛的Linpack单项冠军和总冠军。

从2003年开始，我国发布中国高性能计算机排行榜（简称TOP100），从发展趋势来看，2016中国TOP100的总Linpack性能是2015年的2.33倍，增速从过去几年的一倍速恢复到两倍速，同年，世界的增幅是1.6倍。这些变化表明世界超级计算的发展正在逐渐走出低谷，迎来新的复苏，中国高性能计算的发展更是走出停滞期，进入活跃期。

2016年，中国TOP100上榜的设备分别来自7家制造商，曙光公司、联想集团、浪潮公司依然位列装机数量的前三甲，占据87%以上的市场份额。但也存在一定问题，机器规模偏小，因此总的计算能力并不占优势。设备国产化率达到98%，来自美国厂商的产品数量占装机总数的2%，国外厂商在高性能计算机领域逐渐退出中国市场。国产厂商在逐渐获得国内市场的垄断优势之后，纷纷开始布局国际市场。其中，华为和联想公司由于其跨国公司的自然属性，具备先发优势，浪潮公司和曙光公司从2016年起在国际市场也开始有所突破。超级计算系统将继高铁之后，成为另一个出口的中国制造高科技产品。

从上榜机器性能份额来看，神威位列第一，其次分别为国防科技大学、曙光公司、联想集团和浪潮公司。神威的出现，使得中国高性能计算机的总性能得到巨大提升。

高性能计算机的应用领域很多，多年来随着社会的发展也产生了一些变化，从2016年11月发布的中国TOP100的应用领域来看，国内的高性能计算主要分布在互联网大数据、互联网服务、政府部门、超算中心、云计算、信息安全、大气气象、教育、科学计算、电力、视频计算、电子商务、半导体、电信等15个领域。领域的数量保持与上一年持平。互联网大数据的应用在份额排名中位列第一，达到了47%，约占一半左右的使用量。这个结果得益于中国互联网公司的快速崛起，同样与深度学习算法的广泛应用直接相关。互联网公司通过深度学习算法，重新发现了超级计算机特别是GPU加速的异构超级计算机的价值，因此纷纷投入巨资建设新的系统。

从应用领域的机器数量份额上看，国内的几大主要应用领域是互联网大数据（47%）、互联网服务（14%）、政府部门（9%）、超算中心和云计算（7%）。从应用领域的机器性能份额上几个领域分别占据情况是：超算中心（66.85%）、互联网大数据（16.34%）、互联网服务（5.23%）、政府部门（3.28%）、云计算（2.87%）。可见，国内高性能计算机应用中最突出的特点是互联网服务和大数据应用异军突起，成为2016年中国高性能计算应用的新热点，其中互联网大数据领域增长强劲。

根据历年积累的数据，我们分析了中国TOP100从2003年到2016年的应用领域趋势图。如果按产学研三个大领域粗略划分，“学”主要是指教育，“研”主要是指科研机构（超算中心、大气气象、生物信息、科学计算等），其他的都算作“产业”，那么2016年产学研三者的数量比例是：87：1：12。但是专门用于高性能计算教育和科研用的超算环境一直在较低的数量徘徊，仅有两套，这里很大一部分科学计算工作通过6家国家超级计算中心完成，因此计算需求并未消失。超算中心的机器数量份额虽然只达到了7%，但其性能份额仍然排名第一且几乎达到总性能的2∕3，说明国家对国家超算中心的投入在2016年随着两套100PFlops超算系统的升级和研制接近完成，产生了更多的影响和效果。

目前中美日欧等国家和地区都已经公开发布了其未来的E级超级计算系统的研制计划，几乎都希望在2020年到2024年之间发布E级系统，夺取世界第一。在中国的“十三五”规划里，在经历科技部的科研管理体制改革之后，国家设立了三个E级原型系统的研制课题，分别由国家并行计算机工程中心（计划安装在山东）、曙光公司（计划安装在上海和深圳）和国防科大（计划安装在天津）牵头负责研制，并在2018年选定冲击E级超级计算系统的研制方和安装地点。

经过20年的发展，中国的高性能计算已经走过艰难时期，开始进入新的发展阶段。我们预测中国的累计Linpack性能将在2017年到2018年间达到1000Petaflops。峰值Exaflops的机器将在2018年到2019年间出现。

目前，中国超级计算机的发展还有很多大事值得关注，国家超算广州中心的“天河二号”升级计划；三套E级原型系统的研制；两套国产100P系统全部正式投入服务后的使用情况。未来2到3年，中国超级计算行业面临的挑战性问题将来自应用软件，这将直接影响我国高性能计算发展的未来。