一、什么是高性能运算
【按】由于应用前景广阔和对国家经济与安全的重要价值，高性能计算机（HPC）一直是各国科技战略竞争的关键。本文作者美国信息技术与创新基金会（ITIF）全球创新政策副总裁和生命科学创新中心主任Stephen Ezell对高性能计算机的重要性和未来商业应用前景进行的分析，认为中美在该领域表现最为出色，未来高性能计算的主要应用将围绕飞机制造、汽车创新、消费品生产、生命科学、清洁能源等领域展开。
2022年5月30日，随着能源部（DOE）橡树岭国家实验室（ORNL）的一台超级计算机Frontier推出，世界进入超大规模计算时代，能够每秒执行五亿次浮点操作（FLOPS）。超大规模计算的出现，将为科学家探索各类科学、技术和工程领域提供强大助力。超大规模计算已重制游戏规则，功能强大的超级计算机正在帮助航空航天、天文学、生物学、粒子物理学、地震学和天气等许多领域的研究人员在复杂的生物、化学和物理系统的建模和模拟（M&S）方面取得突破，深化科学理解并释放出革命性生产力。于美国工业而言，HPC应用的领先地位是研究产品开发、上市时间、节约成本以及制造过程中实现能源效率等环节不可或缺的一部分。从经济和国家安全角度来看，HPC是一种至关重要的生产力，决策者须持续投资并建立生态系统，以确保美国在这项关键技术方面领先世界。
一、什么是高性能运算
HPC是指超级计算机的应用，是世界上最快、最大、最强大的计算机系统。可与复杂的模型和大型数据集一起，研究并解决复杂的科学、工程和技术难题，尤其是需要理解、建模和模拟复杂、多变量物理系统的难题。HPC通过联合多个技术，包括计算机架构、程序和电子产品，算法和应用程序软件，可在单一平台下快速有效地解决高级甚至棘手问题。
世界领先的超级计算机是通过其可计算的每秒浮点运算次数（FLOPS）数值来衡量的，在过去30年里，这种计算能力大幅增加。1993年，世界上最快的计算机能够执行1240亿次FLOPS，即超过109次FLOPS，也被称为“gigaflops”（每秒10亿次浮点运算）。在接下来的几十年里，世界上最快的超级计算机速度稳步上升，1997年跨越了Teraflop（1012FLOPS）的阈值，2008年再次超越了petaflop（1015FLOPS）。14年后，伴随2022年5月30日，美国橡树岭国家实验室（ORNL）推出的Frontier超级计算机，美国成为第一个公开部署一台超大规模超级计算机的国家（中国或于2021年已有两台超级计算机跨越了这个门槛，尽管它们没有正式提交到500强名单）。
二、为什么高性能运算如此重要
总体上看，HPC对各国的经济和国家安全都尤为重要，原因包括四点：
（1）它为科学和技术发现开辟了新路径；
（2）它代表了功能更强大的计算架构和技术的“矛”，最终使个人笔记本电脑、平板电脑或智能手机更强大；
（3）它将成为解锁大数据和人工智能/机器学习/深度学习（Al/ML/DL）的重要推动力；
（4）直接或间接地产生重大经济效益。
01、开辟探索科学与技术的新路径
对于计算能力而言，每增加一个数量级，使用该计算能力所能实现的目标就会在质量上得到提高。每秒一万次运营，超大规模计算机将能够“更真实地模拟参与科学发现过程和国家安全，如精密医学，小气候，添加剂制造，原子的晶体结构，人类细胞和器官的功能，甚至是宇宙等。超大规模时代的计算将为解决复杂、多变量的科学、技术和工程挑战开辟新的大门，特别是那些需要数据密集型、建模与仿真驱动的解决方案的挑战，从而以前所未有的分辨率、粒度和细节水平来理解这种现象。HPC从根本上代表了一种“科学仪器”，就像“显微镜”或“宏观望远镜”。迄今为止，科学方法的基本步骤是：
（1）研究；
（2）形成假设；
（3）进行实验；
（4）分析数据并得出结论。
科学中的“理论/实验/分析”模型或产品开发中的“理论/构建物理原型/实验/分析”正在转变为“理论/预测模拟/实验/分析”。因此，支持HPC的计算机模拟成为科学发现的“第三支柱”，补充了传统理论和实验。
02、HPC代表了高级计算中的“矛尖”
对超大规模计算的探索，推动了半导体和计算机架构设计的创新，最终通过下游IT平台上传播到个人消费者。HPC的超级计算功能使特定应用程序的逻辑和内存半导体的需求得以更快实现，包括图形处理单元（GPU）、加速器、互连和复杂的软件代码等。微芯片上的晶体管数量大约每两年翻一番，意味着半导体在速度和处理方面的能力会翻一番，而成本却减半。
03、最大限度地发挥人工智能/机器学习/深度学习的潜力
人工智能（AI）是致力于创建执行类似于人类学习和决策过程的计算机科学领域，到2030年，将给全球经济带来额外13万亿美元的产出，使全球GDP每年增加约1.2%。AI将帮助企业从数据中实时提取所需信息。其中AI的两个子领域尤为重要：
机器学习（ML），专注于设计算法，可在不显示编程解决方案的情况下从新数据中自动迭代构建分析模型，超级计算机正在证明其在大型数据集上快速训练算法方面具有变革性，进而开发可用于各类平台的AI工具；
深度学习（DL），将算法分层构建，以创建可以学习的“神经网络”。
04、超级计算的经济影响
HPC之所以重要，是因为它产生多方面的经济影响，超级计算可在HPC用户开发的产品中为他们创造经济价值，HPC行业还可通过销售其产品产生经济影响。仅从汽车、飞机和制药上看，超级计算机在过去25年中为价值超过100万亿美元的产品做出了贡献。据估计，在过去的25年里，基于Linux系统的超级计算机（几乎占世界500强超级计算机的全部）应用所创造的经济价值已超过3万亿美元。另就行业本身而言，从2022年到2026年，基于Linux的超级计算机全球销售将产生900亿美元机器销售额和900亿美元相关支持基础设施销售额。2021年全球HPC市场为348亿美元。预计未来五年，本地HPC服务器的销售额将增长7.9%，而基于云的HPC使用量将增长17.6%。
三、各国间的竞争
鉴于超级计算对各国的重要性，许多国家和地区正在激烈竞争超级计算的主导地位。长期以来，超级计算机一直是国际竞争的焦点。其中超级计算资产的可访问性、可用性和有用性尤为重要。一个国家超级计算机的性能能力固然重要，但更加重要的是研究人员有效利用HPC资源有意义地解决现实世界科学、技术和工程问题的能力。
截至2015年11月，美国已拥有世界500强超级计算机中的199台，而中国为109台；然而到2022年6月，中国已扭转局面。中国超级计算机数量在前500强中增加了58%，达到173台，而美国的份额下滑了三分之一左右，仅有128台。
日本和德国的前500强超级计算机数量保持稳定，在此期间，日本在前500强中的超级计算机从37台下降到33台，德国从31台增加到32台，这意味着中国和美国之间的相对位置发生了重大转变。
中国似已停止将其最新的超级计算机提交到前500名名单中（目前十大最快的超级计算机中有多达7台实际上是中国计算机），部分原因是中国担心美国可能会实施进一步的芯片出口管制。两台中国超级计算机在2021年的理论和实现性能方面都已达百亿亿次浮点运算状态，而这些超级计算机并未列入500强超级计算机名单。
虽然中国已表明它可以构建大规模运行、快速的超级计算机，但其在开发创新软件应用程序方面落后，这些应用程序可利用这些超级计算机在广泛的领域产生新的作用。中国缺乏应用软件经验。截止目前，中国的HPC算法强调性能速度优于实际应用，意味着其机器的功能落后于欧洲和美国。
除了投资培训能够利用这些工具的研究人员外，美国还专注于开发可在美国超级计算基础设施上有效运行的软件和应用程序，且已投入数十亿美元。美国在HPC方面表现出色，专注于其国家HPC基础设施的获取和可用性，以便HPC能够有效地部署解决学术和工业研究问题。
2021年，美国企业占HPC市场的61.6%，其次是中国公司占18.3%的份额，法国和日本公司分别占3.7%和2.4%。2021年，北美占全球HPC服务器消费的42%，欧洲占28%，日本以外的亚洲（主要是中国）22%，日本6%。
四、HPC的下一代商业应用
01、飞机制造
HPC从根本上改变了空客和波音等公司设计和制造飞机的方式，将HPC应用于整个飞机制造可提升飞机的空气动力学性能。于波音公司而言，HPC可更快地解决更复杂问题，获得更准确结果，提高产品安全和环境可接受性，加快开发进度，从而加快上市时间，并降低整体开发成本。另外在喷气发动机设计制造领域，HPC运用前景也很广泛。
02、汽车创新
HPC可用来设计更省油的车。总部位于南卡罗来纳州的BMICorp.公司使用ORNL的超级计算机资源开发了SmartTruck技术，每年可节省15亿加仑柴油和50亿美元的燃料成本。HPC将在帮助设计新一代互联自动驾驶汽车（CAV）方面发挥关键作用，以减少人为错误造成的事故，并通过能够与其他车辆和运输基础设施通信，帮助减少拥堵。HPC还将在促进更广泛地部署智能运输系统方面发挥作用。
03、消费品生产
宝洁公司等快速消费品公司利用超级计算来分析化妆品、洗发水、肥皂和尿布等多种产品的配方，从而提高产品质量和性能，HPC可帮助公司识别无法在实验中观察到的分子特征。在宝洁，超级计算机在工艺设计和优化、材料选择、产品生产和包装设计、供应链优化等环节发挥了重要作用。宝洁依靠自己的超级计算机，对自身产品从香水优化和配方设计到评估女性卫生产品的贴合度和液体吸收效率等各领域进行优化。但当需要额外的计算能力时，它还与洛斯阿拉莫斯国家实验室和劳伦斯利弗莫尔国家实验室等美国国家实验室合作。宝洁对模拟和建模的使用使其将流程设计所涉及的步骤数量减少了50%以上。HPC帮助宝洁设计、配制和制造一系列产品，从香水和洗发水到卫生产品，并在过去十年中帮助宝洁节省超10亿美元成本。
04、生命科学
百亿亿时代的超级计算机促进了一系列新的生物医学发现和创新，并在肿瘤学研究和药物发现方面做出了巨大贡献。HPC在帮助全球生物医学界应对新冠肺炎疫情方面也发挥了关键作用。HPC长期以来一直用于计算药物发现和设计，分子模拟等技术可帮助模拟与疾病相关的生物靶点，并确定可能与这些靶点有效结合的药物，实现预期治疗效果。但当可能的药物化合物范围很大时，这个过程需要很长时间，运行许多次模拟的成本很高，减缓了药物研发速度。启用HPC的机器学习可加速这一过程，仅将测试和模拟集中在正确的药物上，2019年的一项研究估计机器学习可通过加速药物研发速度为每种药物研发节省3亿至4亿美元研发成本。
05、清洁能源
超级计算机将与人工智能、机器学习一起使用，优化美国智能电网的设计和运行。电网的运作方式是保持来自各种化石、核或可再生能源的电力供应与受家庭、企业和工厂影响的需求之间的平衡。供需失衡可能导致大规模停电、永久损坏非常大且昂贵的组件。超级计算机使电网运营商可对包括电力生产、传输、负载和网络在内诸多信息进行综合建模，在短期内优化各种低频危害的电网响应，预测并减轻破坏性事件带来的风险，降低电力系统的不确定性。
五、政策建议
超级计算机运用前景广阔，潜力巨大。我国应持续推进超级计算机研究，加速关键核心部件国产化，并加快相关超级计算机运用场景研究。
01、双轨推进超级计算机研究
超级计算机可分为传统计算机和量子计算机两类。
一方面我国应沿着现有传统计算机技术路径持续投入，组织多部门对关键“卡脖子”领域进行技术攻关，实现超级计算机发展自主可控。
另一方面应对量子计算机等新型超级计算机进行研究，双轨推进超级计算机研究。
02、加强超级计算机应用前景研究
建议定期组织相关专家、企业、高校、政府机构对传统制造业、生命科学、清洁能源、消费品等领域超级计算机的应用前景进行研究，互通信息。并根据研究结果及时对高校专业课程设置进行调整，构建超级计算机+专业方向的教育模式，有针对性地培养相关领域人才。
03、推进超级计算机商业化应用
一方面对运用超级计算机进行生产销售流程优化的企业给与适当补贴，如企业使用超算费用可当做科研投入给与税收加计扣除。
另一方面积极推动超算与容器云融合创新研究，实现超算资源灵活统一调度，提升超算资源使用效率，降低使用成本和门槛。
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