近日，國際超算大會（ISC）在德國漢堡發(fā)布了最新版全球超算TOP500榜單，美國最新推出的E級（每秒浮點運算百億億次）超算“Frontier（前沿）”成功登頂全球，連續(xù)兩年“霸榜”的日本超算“富岳”排名落到第二，芬蘭新部署的超算“LUMI”擠進(jìn)前三，成為歐洲超算領(lǐng)域的代表。

本次榜單中，以往連續(xù)多年登頂榜單的中國超算并沒有出現(xiàn)在前五名中。一些輿論就此開始唱衰中國超算，認(rèn)為中國超算已經(jīng)落后。

那么，中國超算的實際發(fā)展水平究竟如何？

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新一代神威超算性能強(qiáng)勁

在過去十年中，全球超算發(fā)展迅速，中國、美國、日本呈現(xiàn)你追我趕的架勢，中國的天河2號、神威·太湖之光，美國的前沿、頂點，日本的富岳都曾經(jīng)位居TOP500第一位。其中，中國的天河2號連續(xù)6次雄踞TOP500榜首，神威·太湖之光連續(xù)4次占據(jù)TOP500榜單第一位。

2019年2月25日，國防科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院計算機(jī)研究所科研人員在天河機(jī)房測試“天河二號”超級計算機(jī)系統(tǒng)。圖｜新華社

TOP500前10名不斷變化，根本原因正是半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展迅速。由于超算芯片設(shè)計水平和芯片制造水平飛速發(fā)展，各國擁有了性能更強(qiáng)的超算芯片，擁有了更強(qiáng)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，于是，性能更強(qiáng)的超算應(yīng)運而生。

以2016年發(fā)布的神威·太湖之光為例，當(dāng)時其性能為100P位，居全球第一，而不過短短6年，如今的E級超算性能已經(jīng)是神威·太湖之光的10倍。

本次美國超算前沿在基準(zhǔn)測試中跑出了1.012百億億次（1000P）浮點計算速度的峰值實測性能，成為了世界上第一臺官方認(rèn)可的E級超級計算機(jī)。

事實上，今年我國的新超算并沒有公開，也沒有向國外機(jī)構(gòu)提交成績，自然也就沒有參與TOP500排名。英國《金融時報》也發(fā)布報道稱，中國首臺E級超算已經(jīng)運行一年多，只是沒有參加排名，“中國企業(yè)現(xiàn)在更專注國內(nèi)競爭，而不是國際對手在做什么”。

根據(jù)披露的公開信息，新一代神威超級計算機(jī)的計算能力由自主研發(fā)的多核SW26010P CPU提供。雖然SW26010P CPU的具體參數(shù)我們無從得知，但2021年中國高性能計算機(jī)性能TOP100排行榜上有一款基于SW26010P打造的超算，我們可以基于這臺超算一探究竟。

2021年中國高性能計算機(jī)性能TOP100排行榜（截取了前10名）。圖源：中國計算機(jī)學(xué)會高性能計算專業(yè)委員會

從榜單顯示的信息看，該超算僅用了992片SW26010P芯片，就打造出一臺13.9P的超算。作為參照，神威·太湖之光性能為125P，使用了40960片SW26010芯片，換算一下，SW26010P的性能相對于SW26010提升了5倍。更為可怕的是，這臺超算效率極高，達(dá)到90.3%。作為參照，TOP100榜單上前20的超算，除神威·太湖之光效率達(dá)到74%外，其余超算效率在46%至62%之間。

而早在2021年，新一代神威超算就有“千萬核可擴(kuò)展第一性原理拉曼光譜模擬”“多架構(gòu)大規(guī)模并行保辛結(jié)構(gòu)電磁全動理學(xué)等離子體模擬”和“超大規(guī)模量子隨機(jī)電路實時模擬”三項應(yīng)用入圍“戈登貝爾獎”。最終，中國的超算應(yīng)用團(tuán)隊?wèi){借應(yīng)用“超大規(guī)模量子隨機(jī)電路實時模擬”，獲此殊榮。

這里要介紹一下“戈登貝爾獎”。該獎項設(shè)立于1987年，是國際上高性能計算應(yīng)用領(lǐng)域的最高學(xué)術(shù)獎項，主要頒發(fā)給高性能應(yīng)用領(lǐng)域最杰出成就，被稱為“超算領(lǐng)域的諾貝爾獎”。

此前，“戈登貝爾獎”曾被美國和日本壟斷近30年。直到2016年，基于神威·太湖之光超算的“千萬核可擴(kuò)展全球大氣動力學(xué)全隱式模擬”榮獲“戈登貝爾獎”。2017年，基于神威·太湖之光超算的“非線性大地震模擬”再獲“戈登貝爾獎”。加上2021年這次獲獎，這已經(jīng)是基于神威超算的應(yīng)用第三次獲“戈登貝爾獎”，彰顯了中國超算和超算應(yīng)用的實力。

此外，新一代神威超級計算機(jī)進(jìn)行了RQC（隨機(jī)量子電路）高性能實時模擬，可擴(kuò)展到4200萬個核心，單精度浮點性能可達(dá)120億億次，混合精度性能可達(dá)440億億次。我國聯(lián)合科研團(tuán)隊基于新一代神威超算用304秒完成了百萬高保真度的關(guān)聯(lián)樣本，為未來量子計算的發(fā)展提供了堅實的模擬支撐。

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七十年前的高瞻遠(yuǎn)矚

中國超算之所以能夠突飛猛進(jìn)，很大程度上歸功于新中國第一代領(lǐng)導(dǎo)人的高瞻遠(yuǎn)矚。新中國成立初期，滿目瘡痍，一窮二白，但開國領(lǐng)袖們非常有眼光，重視計算機(jī)技術(shù)研發(fā)。

1952年，國家就成立電子計算機(jī)科研小組，由數(shù)學(xué)研究所所長華羅庚負(fù)責(zé)。計算機(jī)小組提出了一臺串行的電子管計算機(jī)的輪廓設(shè)想，性能參數(shù)與EDVAC計算機(jī)和EDSAC計算機(jī)相當(dāng)。

【注：EDVAC計算機(jī)為離散變量自動電子計算機(jī)，是美國早期的電子計算機(jī)。EDSAC計算機(jī)為電子延遲存儲自動計算機(jī)，是英國同時也是世界上第一臺實際運行的存儲程序式電子計算機(jī)。】

就在這個時期，夏培肅院士完成了第一個電子計算器和控制器的設(shè)計工作，并編寫了中國第一本電子計算機(jī)原理講義。在院校開設(shè)了計算機(jī)設(shè)計、程序設(shè)計和計算機(jī)方法專業(yè)訓(xùn)練班，并送技術(shù)尖子赴蘇聯(lián)進(jìn)修。

1956年，國家制定了發(fā)展我國科學(xué)的12年遠(yuǎn)景規(guī)劃，把開創(chuàng)我國的計算技術(shù)事業(yè)等項目列為四大緊急措施之一。中國科學(xué)院則成立了計算技術(shù)研究所籌備委員會，將人才集中到該研究所，并依靠從蘇聯(lián)獲得的技術(shù)圖紙和蘇聯(lián)在156項工程中援建的電子管工廠設(shè)計、生產(chǎn)自己的計算機(jī)。

1958年，原七機(jī)部高級工程師張梓昌對蘇聯(lián)提供的M-3機(jī)設(shè)計圖紙進(jìn)行局部修改后，成功研制出103計算機(jī)，運算速度達(dá)每秒3000次，該計算機(jī)共生產(chǎn)36臺。

1959年，張效祥教授以蘇聯(lián)還在研制中的БЭСМ-II計算機(jī)為模板，成功研制104計算機(jī)。該機(jī)共生產(chǎn)7臺，每秒運行1萬次，在原子彈的研制過程中發(fā)揮了重要作用。

103計算機(jī)和104計算機(jī)的誕生，使中國計算機(jī)完成了從無到有的跨越。而且，因為是仿制蘇聯(lián)的先進(jìn)計算機(jī)，在技術(shù)起點上比較高——僅次于美蘇。

1960年，夏培肅院士帶隊設(shè)計的107計算機(jī)研制成功，并被安裝在北京玉泉路中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)。107計算機(jī)是一臺小型的串聯(lián)通用電子管數(shù)字計算機(jī)，是新中國第一臺自主設(shè)計的計算機(jī)，標(biāo)志著中國的計算機(jī)從模仿到自主設(shè)計的跨越。中科大以107計算機(jī)為基礎(chǔ)，編寫了《計算機(jī)原理》和《程序設(shè)計講義》，作為該校計算機(jī)專業(yè)、力學(xué)系、自動化系、地球物理系的教材。107計算機(jī)除了為教學(xué)服務(wù)外，還服務(wù)于潮汐預(yù)報、彈道計算、核物理、力學(xué)、微波等領(lǐng)域。

也是從上世紀(jì)60年代起，中蘇關(guān)系開始惡化，《中蘇友好同盟互助條約》名存實亡，赫魯曉夫撤走了在華的全部專家。與此同時，西方也對中國進(jìn)行著嚴(yán)格的技術(shù)封鎖。

在美蘇的技術(shù)封鎖下，中國只能走自主設(shè)計、自主生產(chǎn)的發(fā)展路線。1964年，哈軍工成功研制出新中國第一臺全晶體管計算機(jī)441B，相對于美國的第一臺全晶體管計算機(jī)RCA501晚了6年。

441B在天津電子儀器廠共生產(chǎn)了100余臺，主要用于軍工、科研、氣象、油田勘探等，該機(jī)最大特點就是高可靠性和高可維性。1966年，北京舉辦計算機(jī)展覽，恰逢邢臺大地震，441B計算機(jī)是唯一不受地震影響，穩(wěn)定運行的計算機(jī)。

1964年，吳幾康成功研制119計算機(jī)，該計算機(jī)運算能力為每秒5萬次，運算能力略強(qiáng)于美國于1958年制造的IBM709計算機(jī)。1965年，109計算機(jī)研制成功，該機(jī)由2萬多支晶體管、3萬多支二極管組成，穩(wěn)定運行15年。109和119計算機(jī)在我國研制氫彈的歷程中立下汗馬功勞，被譽為研制氫彈“功勛機(jī)”。

1965年，中國自主研制的第一塊集成電路在上海誕生，進(jìn)入集成電路時代只比美國晚了5年。1972年，自主研制的大規(guī)模集成電路在四川永川半導(dǎo)體研究所誕生，實現(xiàn)了從中小集成電路發(fā)展到大規(guī)模集成電路的跨越。而美國從中小規(guī)模集成電路發(fā)展到中大規(guī)模集成電路，用了8年時間（1960年到1968年）。

1972年尼克松訪華后，中國和西方的關(guān)系有所緩解，中國通過特殊渠道購買了少量單機(jī)設(shè)備，并將其消化吸收，推陳出新，搭建了自己的生產(chǎn)線，中國計算機(jī)自此告別了單機(jī)型生產(chǎn)百余臺的歷史。

在完成對國外設(shè)備的仿制并大量生產(chǎn)后，國產(chǎn)計算機(jī)更是進(jìn)入大批量生產(chǎn)時代——批量生產(chǎn)的計算機(jī)有161型“南華”牌臺式計算機(jī)、LX-121型銀行利息機(jī)、130系列、150系列、180系列計算機(jī)。其中，130系列計算機(jī)產(chǎn)量最大，總產(chǎn)量近千臺。1979年研制的HDS-9計算機(jī)每秒運算500萬次，是美國1972年IBM370-168計算機(jī)運算能力的兩倍。

彼時，我國計算機(jī)技術(shù)雖然與西方有5至8年的差距，但在局部領(lǐng)域卻追平西方，比如上海無線電十四廠于1975年成功開發(fā)出的1024位移位存儲器，就基本達(dá)到國外同期水平；中科院上海冶金所還獨立發(fā)展了制造集成電路所需要的離子注入機(jī)，并出口到日本……

到上世紀(jì)70年代末，中國科研人員和產(chǎn)業(yè)工人發(fā)揚自力更生、自強(qiáng)不息的精神，建成了中國自己的半導(dǎo)體和計算機(jī)工業(yè)，掌握了從單晶制備、設(shè)備制造到集成電路制造的全過程技術(shù)。

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徹底拆除“玻璃房子”

上世紀(jì)80年代，在“造不如買、買不如租”“市場換技術(shù)”等政策指導(dǎo)下，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展受到嚴(yán)重影響。芯片也從自主研發(fā)轉(zhuǎn)變到購買國外芯片，比如1983年，浪潮開始采用進(jìn)口Intel8088芯片，而非國產(chǎn)芯片組裝0520微機(jī)，在80年代至90年代初研制的長城286、長城386、長城486、2780機(jī)、太極2220、銀河超級小型機(jī)、HN2730超級小型機(jī)等計算機(jī)均采用國外芯片。中國第四代計算機(jī)中的巨型機(jī)代表機(jī)型——“銀河1”巨型計算機(jī)耗資1億元人民幣，但因大量購買國外硬件，未能對中國的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進(jìn)步起到太多積極作用。

到80年代末，中國憑自己的技術(shù)已經(jīng)很難生產(chǎn)出一臺計算機(jī)了。到90年代初，以聯(lián)想為代表的中國計算機(jī)企業(yè)紛紛轉(zhuǎn)向“貿(mào)工技”路線，只從事低附加值的微機(jī)組裝，無力也無心從事芯片研發(fā)，國內(nèi)芯片市場徹底落入外資掌控。

在中國喪失獨立自主研發(fā)制造計算機(jī)的能力后，美國政府開始嚴(yán)格限制對中國出口高性能計算機(jī)。在當(dāng)時，高性能計算的應(yīng)用涉及的基本是堪稱國家命脈的領(lǐng)域，如國防軍工、油氣勘探、水電利用等。由于中國當(dāng)時還沒有自主研發(fā)的高性能計算機(jī)，所需要的計算機(jī)只能依靠進(jìn)口，價格昂貴，維修管理困難。中國進(jìn)口計算機(jī)就花掉近20億美元，維護(hù)費用動輒千萬。

原石油工業(yè)部地球物理勘探局曾花費巨資從國外購買了一臺大型機(jī)，沒想到，對方對后期的集成和維護(hù)費用開價百億以上。不僅如此，對方還提出了一個讓中國IT人銘記了十幾年的屈辱條件——在設(shè)備使用過程中，為防止機(jī)器核心技術(shù)外泄，設(shè)備機(jī)房采用全透明的玻璃墻壁，對方要時刻監(jiān)控我國工作人員的一舉一動，甚至連高性能計算機(jī)的啟動密碼和機(jī)房鑰匙都要由對方控制。

為了徹底拆除“玻璃房子”，研發(fā)出完全擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)高性能計算機(jī)，我國的科學(xué)家們走上了一條異常艱苦的突圍之路。

1993年，中國高性能計算機(jī)曙光一號并行機(jī)終于研制成功。曙光一號的戰(zhàn)略效應(yīng)立竿見影：它誕生的第三天，美國便宣布解除10億次計算機(jī)對中國的禁運。可以說，曙光一號成功打破了國外IT巨頭對我國信息技術(shù)的壟斷，推動信息產(chǎn)業(yè)再次走上了自主發(fā)展的道路。

1995年，在只有十余名研究員、500萬元經(jīng)費的情況下，曙光1000大規(guī)模并行計算機(jī)成功研發(fā)。曙光1000達(dá)到了20世紀(jì)90年代前期的國際先進(jìn)水平，榮獲了1996年中國科學(xué)院科技進(jìn)步特等獎和1997年國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎。

1998年，曙光2000問世，總體水平達(dá)到了90年代同期國際先進(jìn)水平。2001年，曙光3000誕生。2004年，曙光公司研發(fā)出4000A，成為國內(nèi)首臺每秒運算超過10萬億次的超級計算機(jī)，并代表中國首次進(jìn)入全球超級計算機(jī)TOP500排行榜，位列第十位。

2008年，曙光5000降生，其系統(tǒng)峰值運算速度達(dá)到每秒230萬億次浮點運算，讓中國成為繼美國之后第二個能制造和應(yīng)用超百萬億次商用高性能計算機(jī)的國家。

2009年，第一臺國產(chǎn)千萬億次超級計算機(jī)天河1號在湖南長沙亮相。2010年，國防科大對天河1號進(jìn)行了升級，使其成為當(dāng)時世界上最快的超級計算機(jī)。

2010年，曙光6000問世，以實測每秒達(dá)1271萬億次的峰值速度，在2010年的第35屆全球超級計算機(jī)TOP500中名列第二。

2012年，神威藍(lán)光超級計算機(jī)投入使用。該超算使用了8704片申威1600，搭載神威睿思操作系統(tǒng)，雖然超算絕對性能并不高，但卻是中國在“市場換技術(shù)”之后，首次實現(xiàn)了超算CPU和操作系統(tǒng)的全部國產(chǎn)化。

2013年，國防科技大學(xué)成功研制出天河2號，高達(dá)55PFlops的性能使其傲視群雄，六度蟬聯(lián)TOP500排行榜首位。不過，天河2號使用了美國英特爾公司的超算芯片，不久美國政府就禁止向中國超算中心出口英特爾的超算芯片。數(shù)年后，國防科大用自主研發(fā)的矩陣2000加速卡替換了美國超算芯片，并將性能從55PFlops提升到97.9PFlops。

2018年10月16日，國家超級計算無錫中心的“神威·太湖之光”超級計算機(jī)。圖｜新華社

2016年，神威·太湖之光問世，成為全球首個性能超過100PFlops的超算，四度蟬聯(lián)TOP500排行榜首位。值得一提的是，神威·太湖之光延續(xù)了神威藍(lán)光超算的高自主性，在超算芯片、操作系統(tǒng)、互聯(lián)等關(guān)鍵技術(shù)上全部實現(xiàn)國產(chǎn)化。

2021年，中國新一代超算橫空出世，三個應(yīng)用入圍“戈登貝爾獎”，一個應(yīng)用獲獎，足以證明強(qiáng)勁實力。

不過，看到成績的同時，我們也要看到不足之處。

其一是我國高性能計算軟件的缺失。目前，我國不少大型科學(xué)計算的軟件仍需進(jìn)口，超算經(jīng)費用于應(yīng)用軟件開發(fā)的不到10%。

其二是企業(yè)級應(yīng)用較少。汽車行業(yè)的通用、克萊斯勒等公司，每家都有10多個超算系統(tǒng)，英國石油公司（BP）則擁有世界上最大的工業(yè)用超級計算機(jī)，我國使用高性能計算機(jī)較多的是互聯(lián)網(wǎng)公司，在制造業(yè)的應(yīng)用規(guī)模較小。

其三是幾大超算架構(gòu)不統(tǒng)一。神威、天河、曙光三大系列超算各成體系，軟件不能通用，移植工作量異常巨大，不利于超算通用化和商業(yè)化。

歷經(jīng)70年的發(fā)展，中國超算技術(shù)積累已經(jīng)非常雄厚，在芯片、操作系統(tǒng)、互聯(lián)等關(guān)鍵技術(shù)上均實現(xiàn)自主研發(fā)，但是留給我們的挑戰(zhàn)依舊很多，路還很長。