中国高性能计算机发展与政策 “曙光”之路的“三叉戟”

挑战

高性能计算机发展的挑战可以分为在摩尔定律失效前如何可持续地构建E级系统，和后摩尔定律时代的革命性技术。

可持续地构建 E 级系统。高性能计算正处于向 E 级（10¹⁸）迈进的时代，中美两国都相继宣布了 E 级超级计算机的研制计划。尽管突破E级计算关口的相关技术路线基本明确，但如何构建可持续的E级超算系统，如数百 Eflops 系统的技术路线尚不明确。在未来新型器件真正成熟之前，最大的挑战是如何在高性能计算机体系结构和系统技术上的创新，应对整个系统的部件复杂度和能耗难以承受的问题，持续发展数百 Eflops 的系统。

后摩尔定律时代的超算系统。随着集成电路的发展进入后摩尔时代，器件特征尺寸已趋于物理极限，当前器件的原理和结构已经难以满足未来 Z 级（10²¹）乃至更高性能 Y 级（10²⁴）超级计算机的要求。如何利用新型器件是构建后 E 级时代超算系统的首要挑战，包括：基于光学计算原理和超导计算原理的新型器件、基于硅光技术的新型互连和量子计算机等。

政策建议

作为科技战略的制高点，高性能计算机是“三个面向”的典型代表。因此，以下围绕“面向世界科技前沿，面向国家重大需求，面向国民经济主战场”阐述关于我国高性能计算机发展的政策建议。

面向世界科技前沿。高性能计算机的研制代表了电子信息技术的发展前沿，建议在面向 Z 级计算的光学计算机、超导计算机、硅光集成技术、存算一体器件等，在面向 Y 级计算的量子计算机、非图灵计算模型等方面加强基础前沿技术的颠覆性突破。

面向国家重大需求。高性能计算机始终在服务国家重大需求，如核武器、航空航天、高能物理和气候模拟等应用，高性能计算机已经成为这些战略部门的基础设施。除了这些以科学计算为核心的应用，当前，围绕数据科学和智能计算发展起来的应用已经成为新的国家重大需求，对高性能计算提出了更高、更新的挑战。特别地，急需建设面向大数据科学和面向人工智能的高性能计算基础设施。同时，需要在高性能计算机系统的评价指标上做出相应调整，不能单纯以 Linpack 指标作为衡量高性能计算机的唯一指标，而是既要算得快又要算得多，要研究出多维度衡量体系，以引导高性能计算机健康、全面发展。

面向国民经济主战场。回顾中国高性能计算发展历史，相比计算机的研制，高性能计算机推广应用的历程更加艰辛。20 世纪 80 年代，钱学森就指出研制巨型机首先要解决并行计算问题，包括机器软件和算题软件等。他严肃批评过去忙于制造机器，至于怎么用不大重视，他曾在署名文章中大声疾呼：“这个问题必须提到议事日程上来，这样才能充分发挥巨型机的作用。”本文认为，要解决这一严峻问题，一方面要充分重视应用软件的攻关，另一方面要重视促使高性能计算普及的技术，如云超算、云化并行编程等。（作者：孙凝晖 谭光明，中国科学院计算技术研究所。《中国科学院院刊》供稿）

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