高性能计算之源起——科学计算的应用现状及发展思考

关于我国科学计算发展的若干建议

历经30年，我国的科学计算由起步发展至今，在诸多研究领域取得了长足的进步，但仍需面对E级超算④的新挑战。高性能计算机的体系结构越来越复杂，其特征是处理器和加速器部件的复杂深度异构、单处理器内众核、单节点内多处理器、数万计算结点、多级存储系统和超高速内部互联网络，这对应用软件的研制提出了众多挑战。

我国经过多年的努力和投入，超级计算机硬件基础设施能力已达国际先进水平。但由于在科学计算软件方面如基础算法库、并行算法库、高性能计算应用中间件和各学科领域应用软件缺乏稳定投入和长期积累，导致我国科学计算应用各环节均严重依赖国外。特别是使用国外软件占比高达90％以上，这已成为制约我国高性能计算进一步发展的“卡脖子”问题。

为了更好地发展我国的科学计算应用和加强研发应用软件，今后应战略性布局和规划我国科学计算的发展路线和实施计划，具体给出5点建议。

设立国家级高性能计算软件研发中心，并给予长期稳定支持。针对国产处理器研发若干重要领域的科学计算软件；通过挖掘若干应用领域的科学问题，以应用需求为导向，设立长期稳定的科学目标。围绕该目标，开展长期、持续的软件研发。

大力加强高性能计算应用中间件的开发。近年来，在国家“863”计划和重点研发计划“高性能计算”专项的支持下，我国科研工作者成功研制了三维并行结构自适应软件框架JASMIN和三维并行自适应有限元软件平台PHG。中国科学院计算机网络信息中心科研人员在计算科学应用研究中心支持下，正研发并行计算框架SC Tangram。通过框架支撑，并行计算细节可对应用科学计算研究人员屏蔽，使其可集中于物理模型和计算方法创新并加速计算程序与新方法、新模型的融合，最终实现大规模并行计算应用软件的快速开发。

进一步在国家战略层面加强科学计算应用软件的规划和开发。科学计算应用软件是计算科学和应用科学领域交叉融合的产物，涉及面广。仅仅依靠高等院校和科研院所的研究人员凭兴趣自发或是零散的研发应用是远远不够的，应从国家战略层面和科学问题的需要出发，以需求为牵引，以需要解决问题为目标，制定10年甚至更长时间的规划并坚定地执行方才能见到成效。

提高科学计算应用的基础研究水平。科学计算能力包括计算机软件硬件、支撑软件以及算法的能力。只有提高科学计算应用的基础研究水平，才能对高性能计算机的软硬件提出更高的需求，从而推动高性能计算应用向着更深层次和更高水平发展。大力发展复杂异构系统上的各种精度的混合计算方法，加强高性能体系结构发展与算法、软件的互动。

大力加强计算科学和应用学科的复合型人才培养。科学计算涉及应用科学、计算机科学、数学等多个学科，必须在高等教育、继续教育以及研究院所等层面开展相关培养工作，加大经费支持，建立适合的评价机制，鼓励研究人员从事计算应用软件的研发，提高待遇，从而形成可持续性发展的局面。

致谢感谢中国科学院大气物理研究所刘海龙和唐晓、中国科学院上海药物研究所于坤千、中国科学院高能物理研究所陈莹、中国科学技术大学胡伟、中国科学院金属研究所徐东生、中国科学院北京基因组研究所刘凡、中国科学院计算机网络信息中心王彦堈和王武提供了相关科学计算应用的文字材料；感谢中国科学院物理研究所王鼎盛院士提供珍藏了20多年的、发表在《人民日报》和《中国科学报》上的有关“曙光1000”攻关的报道。（作者：金钟，中国科学院计算机网络信息中心 中国科学院计算科学应用研究中心；陆忠华，中国科学院计算机网络信息中心；李会元，中国科学院软件研究所；迟学斌，中国科学院计算机网络信息中心 中国科学院计算科学应用研究中心；孙家昶，中国科学院软件研究所。《中国科学院院刊》供稿）