张健 国家超级计算天津中心

1 引言

2018年6月8日，计算峰值速度为200PFlops的超级计算机“Summit”在美国的橡树岭国家实验室发布。自2016年以来一直保持世界第一的部署在国家超级计算无锡中心的超级计算机“太湖之光”的峰值计算能力为125PFlops，“Summit”比“太湖之光”快了60%。

2 什么是超级计算机

超级计算机的结构组成和我们家用的PC电脑类似，但是在规模和性能上要远远超过普通的PC电脑。超级计算机除了具有很强的计算能力，还具有大规模的数据存储能力和高速的网络传输能力。同时，超级计算机还配有丰富的操作系统、编译环境、并行开发环境和软件环境，能够给不同应用领域的用户提供合适的编译、开发和运行环境。

高性能计算领域通常用浮点运算能力来描述超级计算机的运算能力，单位是Flops，含义为每秒执行了多少次浮点运算。超级计算机“Summit”能够每秒钟进行20亿亿次浮点运算，也就是说它运算1分钟，相当于13亿中国人同时使用计算器连续计算80年。

超级计算机对任何国家来说，不但能够促进经济、社会的发展，也对保障国家安全发挥着不可替代的作用，更重要的是很多国家的重大科学与工程领域的关键问题都需要超级计算机那强大的计算能力才能完成。

3 中国超级计算机的发展历史

中国的计算机行业从1958年开始发展，中国的科学家根据苏联提供的计算机设计图纸进行研究，然后在此基础上进行修改，研制出了中国第一代计算机，实现了中国计算机零的突破。中苏关系在60年代以后开始恶化，中国得不到苏联的技术支持，计算机的发展停滞不前。到了70年代，中国对于超级计算机的需求日益激增，中长期天气预报、模拟风洞实验、三维地震数据处理、以至于新武器的开发和航天事业都对计算能力提出了新的要求。中国的科学家经过几年的摸索、尝试，终于在1983年12月由国防科大成功研制了中国第一台超级计算机“银河I号”，每秒钟能够进行1亿次浮点运算。从此，中国超级计算机的发展明显加快，先后研制了银河、曙光、神威这三个系列的超级计算机，计算能力也在阶梯式提升，2008年研制成功的超级计算机“曙光-5000A”的运算速度达到了每秒钟230万亿次。2009年，国防科大经过不懈努力成功研制了“天河一号”超级计算机，这是国产第一台运算速度达到每秒钟千万亿次的超级计算机，它在2010年的全球HPC TOP500中第一次成为世界冠军。虽然“天河一号”很快就被其他国家的超级计算机超过，但是2013年，由国防科大研制的“天河二号”超级计算机再次成为了世界第一，并且从2013年至2015年在全球HPC TOP500中连续6次蝉联世界第一。这个记录一直到2016年被我国自主研制的超级计算机“太湖之光”打破，此后“太湖之光”连续4次蝉联世界第一。

4 中国超计算机应用的情况

中国超级计算机的应用门槛并非“高不可攀”，气象预报、医疗检测、城市交通等领域都跟我们的生活息息相关，超级计算机也有科学和工程上的应用，如工程仿真、数值模拟、新材料、航空航天等。这些应用领域的任务基本都属于计算密集型，也就是说任务大部分在做高密度的数值计算，这跟采用分布式计算方式的云计算和网格计算是有明显区别的。

随着中国社会的发展、进步，中国超级计算机在新兴领域也有大量应用，如人工智能、深度学习、生物医药、基因工程、动漫渲染、过程控制、数据挖掘、金融分析、公共服务等。2017年中国HPC TOP100发布了国内的应用领域分布情况，国内超级计算机的应用领域可以主要归纳为互联网信息服务、科学计算与工程计算、大数据分析三个领域，其中互联网信息服务所占比例为30%、科学计算与工程计算所占比例为14%、数据分析与机器学习所占比例为56%。由此可见，目前中国的超级计算机应用领域最明显的特点就是大数据分析和互联网信息服务成为最主要的应用热点，这两个应用热点除了对超级计算机的密集计算能力有很高要求之外，对大数据的存储能力和网络的传输速度也有很高的要求。

5 中国超级计算机的发展趋势

高性能计算领域的“下一座珠峰”是E级超级计算机，它的计算能力将达到1000PFlops。E级超级计算机将为解决全球的能源、环境及气候气象等重大难题发挥作用，每一个国家都希望尽快研制出E级超级计算机。目前，中国、美国、日本和欧盟各国先后部署了E级超级计算机的研制计划，计划在2020年至2025年完成E级超级计算机的研制。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。

2015年美国以莫须有的理由禁止销售英特尔至强芯片给中国的四个国家级超算中心，这使得逐步实现国产自主将是未来中国超级计算机行业的发展趋势。在今后国产自主的超级计算机上，应用软件的移植和优化将面临重大挑战。