什么是超級計算機？我國超級計算機的應(yīng)用領(lǐng)域有哪些

• 吳智聰 2023年3月8日 來源：互聯(lián)網(wǎng) 319 13
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超級計算機概念

高性能計算機HPC，又稱超級計算機)主要被用來解決其他計算機解決不了的挑戰(zhàn)性問題，通常指具有極快運算速 度、極大存儲容量、極高通信帶寬的一類計算機。超級計算被視為計算機科學(xué)與工程的“皇冠”，各國近年來均頻繁從國家層面啟動研制計劃。

超級計算機可以對所研究的對象進行數(shù)值模擬和動態(tài)顯示, 從而獲得實驗很難甚至無法得到的結(jié)果。例如, 可應(yīng)用在預(yù)測氣候變化, 預(yù)報惡劣天氣, 理解基因功能, 以及模擬核爆炸過程, 甚至模擬宇宙演化過程等領(lǐng)域中。超級計算機的發(fā)展使得計算科學(xué)成為人類認(rèn)識和改造世界的新的方法和途徑。

超級計算是計算機科學(xué)與工程的“皇冠”。超級計算是計算機技術(shù)的源頭之一?；ヂ?lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)依賴的數(shù)據(jù)中心的核心技術(shù)，諸如 Hadoop等并行編程工具和 RDMA 等遠(yuǎn)程通信技術(shù)大多脫胎于此。因此，超級計算機被視為計算機科學(xué)與工程的“皇冠”。

不斷發(fā)展的超算技術(shù)，可以支撐重大科學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)研究，也可推動新興科技領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)新，發(fā)揮著引領(lǐng)國家科技進步的關(guān)鍵作用。多年來，超算技術(shù)廣泛應(yīng)用于航天航空、電磁計算、海洋模式、醫(yī)學(xué)影像、材料基因等重大科學(xué)研究和國計民生領(lǐng)域，為國家的基礎(chǔ)科學(xué)研究和相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)攻關(guān)作出重要貢獻。隨著更多的現(xiàn)實應(yīng)用從基于數(shù)據(jù)的模擬與仿真，走向基于算法的挖掘和訓(xùn)練，大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)正在與超算技術(shù)融合。超算逐漸成為支撐信息化發(fā)展的算力基礎(chǔ)設(shè)施和城市及重點行業(yè)的算力大腦。

我國超級計算機的應(yīng)用領(lǐng)域有哪些

我國超級計算機的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸拓寬，從國家安全、核武器研制、氣象預(yù)報、石油勘探這樣的國家戰(zhàn)略領(lǐng)域，拓展到互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、基因測序、影視制作、金融等領(lǐng)域，惠及各個不同的行業(yè)，越來越貼近國民經(jīng)濟生活。

當(dāng)前全球競爭中，來自中國超算的聲音早就不容忽視了。中國在需求方面的增長都是顯著的，中國的企業(yè)也被公認(rèn)為提供高性能計算機技術(shù)的頂級領(lǐng)導(dǎo)者，而全球范圍內(nèi)最引人注目的超級計算和大規(guī)模部署(TOP500榜單)都在中國。

調(diào)研顯示，中國超級計算機總算力占比為32.3%排名第二。從總算力上看，美國超算占比為37.1%，中國超算占比為32.3%;半年前，美國超算占比為38.4%，中國超級計算機占比為29.9%。

2021年，世界500強超級計算機名單中，中國超級計算機有186臺，美國超級計算機有123臺。從超級計算機算力來看，美國超級計算機算力856.8Pflop/s，中國超級計算機只有445.3Pflop/s，從超級計算機制造商來看，聯(lián)想現(xiàn)在是全球最大的超級計算機制造商。

超級計算機主要特點包含兩個方面：極大的數(shù)據(jù)存儲容量和極快速的數(shù)據(jù)處理速度，因此它可以在多種領(lǐng)域進行一些人們或者普通計算機無法進行的工作。超級計算機是指能夠執(zhí)行一般個人電腦無法處理的大量資料與高速運算的電腦。就超級計算機和普通計算機的組成而言，構(gòu)成組件基本相同，但在性能和規(guī)模方面卻有差異。

超級計算機是各國競相角逐的科技制高點，也是國家綜合科技實力的體現(xiàn)。超級計算機主要用途包括模擬核試驗、處理衛(wèi)星圖片、解密碼等，應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)覆蓋了互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)、工程計算、工業(yè)仿真、氣象海洋、生命科學(xué)、石油物探等。由于很多情況不能實測，只能模擬，超級計算機在飛行器設(shè)計等領(lǐng)域更是起到至關(guān)重要的作用。

超級計算機行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國超算取得了一定的成績，但仍面臨著不小挑戰(zhàn)。一是技術(shù)異構(gòu)帶來的適配問題逐漸顯現(xiàn)。不同的芯片架構(gòu)確保了超算的實施路徑冗余，但隨著各類應(yīng)用的深入發(fā)展，也帶來了軟件適配的難題。模型、算法和芯片之間需要做二次適配，導(dǎo)致應(yīng)用軟件移植很難實現(xiàn)。二是智算中心帶來的沖擊日漸劇烈。

2020 年以來，十四五和新基建驅(qū)動我國超級計算中心建設(shè)進入高速增長期，多地地方政府和企事業(yè)單位都在積極建設(shè)和籌建超級計算中心。

在中國多次上榜全球超級計算TOP500 后，美國自 2015 年起將多所中國超級計算相關(guān)機構(gòu)或企業(yè)列入實體清單，包括國防科大、無錫江南計算技術(shù)研究所、曙光、申威等。而我國超級計算整體實力和美國相比仍然有較大差距。

從 2021 年 11 月中國超級計算機 TOP100 中的行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域 Linpack 性能份額來看，算力服務(wù)、超級計算中心、人工智能、科學(xué)計算等領(lǐng)域是超級計算的主要用戶，互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)特別是 AI 領(lǐng)域增長強勁。

據(jù)中研產(chǎn)業(yè)研究院《2022-2027年超級計算機市場投資前景分析及供需格局研究預(yù)測報告》分析：

十四五和新基建驅(qū)動超級計算進入快速增長期。我國高性能計算中心建設(shè)主要通過部省(市)合作協(xié)議確立超級計算中心的建設(shè)計劃，國家科技部代表國家科技戰(zhàn)略對主機性能設(shè)定目標(biāo)。地方政府希望超級計算中心能成為區(qū)域科技發(fā)展的功能載體，為其聚集人才、創(chuàng)新科技并推動經(jīng)濟發(fā)展。

2021 年 3 月，我國“十四五規(guī)劃”中明確提出，要“加快構(gòu)建全國一體化大數(shù)據(jù)中心體系A(chǔ)Z，強化算力統(tǒng)籌智能調(diào)度，建設(shè)若干國家樞紐節(jié)點和大數(shù)據(jù)中心集群，建設(shè) E 級和 10E 級超級計算中心。”根據(jù)規(guī)劃，合肥、蘭 州、廈門、太原等地多地都將陸續(xù)建立超級計算中心。

近年來，美國、歐盟、日本等國家和地區(qū)正加速推動E級(每秒可進行百億億次數(shù)學(xué)運算)計算性能目標(biāo)的實現(xiàn)和優(yōu)化。中國也高度重視E級超算的開發(fā)和研究，并已經(jīng)研制成功多臺E級原型機。與國外相比，中國超算的特點和優(yōu)勢主要體現(xiàn)在計算性能、自主研發(fā)和綠色節(jié)能等方面。

隨著人工智能需求的興起，2019年至今，全國建設(shè)了20多個智算中心，對超算的發(fā)展帶來較大沖擊。超算和智算中心如何實現(xiàn)差異化發(fā)展，是行業(yè)面臨的重要問題。三是商業(yè)模式帶來的挑戰(zhàn)漸成現(xiàn)實。國家對超算的扶持性政策弱化之后，超算中心如何走出一條自負(fù)盈虧、甚至略有盈余的可持續(xù)發(fā)展道路，是擺在運營者面前的現(xiàn)實問題。

未來超級計算機方向發(fā)展分析

由于超級計算機的計算成本越來越低，且測序儀越來越快，基因測序的價格在快速地下降，從過去的每人每次幾十萬元，到現(xiàn)在的每人每次幾千元。

未來，超級計算與容器云的融合，也將成為新產(chǎn)品。此類高性能云擁有四大優(yōu)勢，包括：容器化。也就是具備微服務(wù)架構(gòu)，快速部署服務(wù)滿足企業(yè)云需求，輕量級和松耦合，更加高效與快捷;可視化編程。

簡化了創(chuàng)建、管理、運維應(yīng)用服務(wù)的門檻，支持標(biāo)準(zhǔn)化的可視化編排模板導(dǎo)入導(dǎo)出，畫圖即創(chuàng)建;流水線。代碼提交即部署，自動化管理降低過程復(fù)雜性，持續(xù)集成、持續(xù)發(fā)布和持續(xù)部署;彈性伸縮。動態(tài)調(diào)整應(yīng)用部署規(guī)模，無需人為干預(yù)，提高服務(wù)擴展的自動化，根據(jù)閾值實時收縮，節(jié)省資源。

制造世界上最快的國家級超級計算機是了不起的技術(shù)成就，但將超算技術(shù)推進產(chǎn)業(yè)應(yīng)用也非常關(guān)鍵。聯(lián)想作為一家商業(yè)公司，在幫助用戶“挖掘算力潛力”上堪稱極致。未來計算機系統(tǒng)集成會逐漸朝向分布式網(wǎng)絡(luò)集成方向發(fā)展，企業(yè)未來發(fā)展關(guān)鍵則是企業(yè)級系統(tǒng)集成。未來計算機系統(tǒng)集成會在電商領(lǐng)域中得到更好的應(yīng)用，推動電商平臺的整合。

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