顧蓓蓓

1. 中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心，北京 100190

2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

引言

高性能計(jì)算是戰(zhàn)略性、前沿性的高技術(shù)，是解決國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)建設(shè)、科學(xué)進(jìn)步、國家安全方面一系列重大挑戰(zhàn)性問題的重要手段，是國家創(chuàng)新體系的重要組成部分，是發(fā)達(dá)國家爭奪的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。

從 1964年被公認(rèn)為第一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī) CDC 6600[1]的誕生，到如今世界排名首位的理論峰值達(dá)200,794.9 TFlop/s 的超級(jí)計(jì)算機(jī) Summit，半個(gè)多世紀(jì)以來超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力已經(jīng)有了 11 個(gè)數(shù)量級(jí)的提升。超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作為各國科技競爭力和綜合國力的重要標(biāo)志，也是世界高技術(shù)領(lǐng)域的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，而如何使超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)備真正發(fā)揮效用、為各領(lǐng)域提供高效計(jì)算服務(wù)則主要由高性能計(jì)算的應(yīng)用發(fā)展水平?jīng)Q定，它同時(shí)也象征著各個(gè)國家高性能計(jì)算的軟實(shí)力。

如今，越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域使用高性能計(jì)算來解決科研和生產(chǎn)中的實(shí)際問題，高性能計(jì)算應(yīng)用的發(fā)展不但促進(jìn)了科技創(chuàng)新，還同時(shí)進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)了社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，高性能計(jì)算應(yīng)用水平已成為衡量和驅(qū)動(dòng)一個(gè)國家、地區(qū)綜合競爭力與創(chuàng)新能力的重要指標(biāo)之一[2]。

本文第 1 章對(duì)國內(nèi)外高性能計(jì)算應(yīng)用的發(fā)展態(tài)勢(shì)進(jìn)行了總體分析。第 2 章主要對(duì)高性能計(jì)算應(yīng)用如何驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略提出了一些對(duì)策分析與發(fā)展建議。

最后在以上兩個(gè)章節(jié)的基礎(chǔ)上，對(duì)我國高性能計(jì)算應(yīng)用環(huán)境的生態(tài)發(fā)展做了總結(jié)與展望。

1 國內(nèi)外高性能計(jì)算應(yīng)用發(fā)展態(tài)勢(shì)

長期以來，越來越多的科技發(fā)達(dá)國家投入巨資推動(dòng)高性能計(jì)算發(fā)展的原因不僅在于其戰(zhàn)略地位，還在于其應(yīng)用實(shí)效。為了更加深入了解和掌握國內(nèi)外高性能計(jì)算應(yīng)用發(fā)展的態(tài)勢(shì)，找出制約我國高性能計(jì)算應(yīng)用驅(qū)動(dòng)發(fā)展的短板問題，為該領(lǐng)域的生態(tài)發(fā)展提出有針對(duì)性的決策建議提供理論支撐和依據(jù)，本章主要闡述和分析了國內(nèi)外高性能計(jì)算應(yīng)用的發(fā)展態(tài)勢(shì)。

1.1 國內(nèi)外高性能計(jì)算應(yīng)用情況

1.1.1 國際

本小節(jié)主要對(duì)美國、歐盟、日本等一些發(fā)達(dá)國家的高性能計(jì)算應(yīng)用情況進(jìn)行詳細(xì)闡述和對(duì)比分析。

(1)美國

20 世紀(jì)初，美國出臺(tái)了高性能計(jì)算與通信計(jì)劃 (High Performance Computing and Communications Program，HPCC)。該計(jì)劃耗資百億美元，是在面對(duì)日本于 20 世紀(jì) 90年代高性能計(jì)算領(lǐng)域后來居上的挑戰(zhàn)、在國家信息基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展需要技術(shù)變革的背景下提出的，它也是為美國實(shí)施信息高速公路而實(shí)行的計(jì)劃，同時(shí)成為當(dāng)時(shí)應(yīng)用需求推動(dòng)計(jì)算機(jī)革命發(fā)展的代表性事件。

據(jù) 1992年美國財(cái)年報(bào)告數(shù)據(jù)顯示，軟件研發(fā)和應(yīng)用研究投入經(jīng)費(fèi)高達(dá) 2.38 億美元，表明美國政府對(duì)發(fā)展高性能計(jì)算應(yīng)用具有較高的重視程度。

此后，美國在面向高性能計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展方面繼續(xù)給予了長期和巨大的國家投入，并輔以商業(yè)化、開源等方式，在高性能計(jì)算應(yīng)用的若干領(lǐng)域研發(fā)了用戶眾多，且影響力非常廣泛的應(yīng)用軟件，有力支持了科學(xué)研究與工業(yè)生產(chǎn)。例如，大氣領(lǐng)域的 WRF、流體力學(xué)的 Fluent、LS-Dyna、開發(fā)工具 MATLAB 和諸多基礎(chǔ)數(shù)學(xué)庫等。其中，尤以高性能計(jì)算應(yīng)用軟件 Gaussian 為典型代表，該款軟件至今已為廣大計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域的用戶持續(xù)提供計(jì)算服務(wù)達(dá) 49 年之久。

圖1 1992年高性能計(jì)算與通信計(jì)劃預(yù)算提案的經(jīng)費(fèi)分配統(tǒng)計(jì)Fig.1 1992 HPC budget proposal allocation statistics

近年來，在美國國家戰(zhàn)略計(jì)算計(jì)劃全面而大力度的投入下，一大批領(lǐng)先的高性能計(jì)算應(yīng)用相繼問世。例如，2015年12月，美國圣母大學(xué)應(yīng)用高性能計(jì)算研究水力學(xué)問題。在 2000 核的集群上，一個(gè)典型的颶風(fēng)災(zāi)難模擬 20 天耗時(shí) 4 小時(shí)，這基本上能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)報(bào)的功能。又如，2016年1月，伯克利實(shí)驗(yàn)室推出新的電網(wǎng)現(xiàn)代化項(xiàng)目，用于發(fā)展未來電力管制和針對(duì)加利福尼亞大規(guī)模部署的分布式能源資源優(yōu)化配置和優(yōu)化工具。

除此之外，美國也在持續(xù)加大產(chǎn)業(yè)化資助力度與范圍，通過高性能計(jì)算應(yīng)用的研究與合作推動(dòng)國家社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步。2018年，美國能源部宣布為 7 個(gè)項(xiàng)目提供 187 萬美元的資助，旨在通過高性能計(jì)算促進(jìn)美國的制造創(chuàng)新，這屬于能源部“面向制造的高性能計(jì)算”(HPC4Mfg)項(xiàng)目的一部分，有望促進(jìn)能源部國家實(shí)驗(yàn)室和美國制造業(yè)更好的合作 (如表1 所示)。

當(dāng)前，美國已形成以能源部 (Department of Energy，DOE)、國防部 (Department of Defense，DOD)和美國國家科學(xué)基金會(huì) (National Science Foundation，NSF)為主要支撐，以國家實(shí)驗(yàn)室、知名高性能計(jì)算中心為實(shí)體的高性能計(jì)算軟環(huán)境長效發(fā)展體系，使得美國無論是從硬件系統(tǒng)還是軟環(huán)境建設(shè)方面都始終保持了高性能計(jì)算發(fā)展的世界領(lǐng)先水平。

(2)日本

日本高性能計(jì)算的發(fā)展按照 5年計(jì)劃的模式由政府推進(jìn)，這個(gè)時(shí)間跨度與中國相似。日本的高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研制與應(yīng)用實(shí)際需求與發(fā)展方向緊密相連，且以實(shí)際大規(guī)模計(jì)算為目的而開發(fā)，具有典型的應(yīng)用驅(qū)動(dòng)發(fā)展的時(shí)代特征 (如表2 所示)。

(3)歐盟

繼歐盟第 7 個(gè)框架計(jì)劃于 2013年截止，以歐洲高級(jí)計(jì)算合作伙伴計(jì)劃項(xiàng)目 (Partnership for Advanced Computing in Europe，PRACE)為代表的歐洲超算聯(lián)盟又啟動(dòng)了 2020 地平線計(jì)劃。PRACE 旨在通過同行評(píng)審來提供世界級(jí)的計(jì)算和數(shù)據(jù)管理的資源和服務(wù)。它也致力于加強(qiáng)歐洲高性能計(jì)算在工業(yè)界的應(yīng)用。該聯(lián)盟成員超過 20 個(gè)國家，其中，西班牙、意大利、德國和法國比較活躍。2020 地平線計(jì)劃是最大的歐盟研究與創(chuàng)新項(xiàng)目，有近 800 億歐元的可用資金在 7年(2014-2020)內(nèi)投入到高性能計(jì)算及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)。

PRACE 提出了歐盟 E 級(jí)軟件組計(jì)劃 European Exascale Software Initiative (EESI)。這個(gè)計(jì)劃的使命是通過行業(yè)內(nèi)專家的正確指導(dǎo)，幫助歐洲開發(fā)的新一代計(jì)算系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高效的 E 級(jí)應(yīng)用。作為該計(jì)劃 8 個(gè)工作之一，應(yīng)用組的工作目標(biāo)是擴(kuò)展，改進(jìn)和生成高性能應(yīng)用的發(fā)展路線圖。具體內(nèi)容是：探討關(guān)鍵應(yīng)用的突破，量化它們的社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)影響，分析現(xiàn)狀和 E 級(jí)目標(biāo)之間的差距；評(píng)價(jià)科學(xué)和工業(yè)界的研發(fā)活動(dòng)，特別是多尺度多物理量框架應(yīng)用的二次設(shè)計(jì)和開發(fā)；建立歐洲級(jí)的科學(xué)社區(qū)的結(jié)構(gòu)；通過連續(xù)使用網(wǎng)絡(luò)整合制圖更新。他們主要支持的應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)工程應(yīng)用、氣象、天氣、地球、生命與健康科學(xué)等。

表1 美國能源部國家實(shí)驗(yàn)室與美國制造業(yè)促進(jìn)創(chuàng)新應(yīng)用合作項(xiàng)目Table1 The U.S. department of energy national laboratories and the U.S. manufacturing industry promote innovative applications

近些年來，歐盟持續(xù)加大對(duì)高性能計(jì)算應(yīng)用的投入力度。據(jù)歐盟官網(wǎng) 2019年最新報(bào)道，歐盟將新建 10 家面向高性能計(jì)算 (HPC)的卓越中心 (CoE)，以促進(jìn)即將出現(xiàn)的百億億次計(jì)算和極限性能計(jì)算的使用，并擴(kuò)展現(xiàn)有的并行代碼使其適應(yīng)百億億次性能。此外，歐盟還將投資 8.4 億歐元，在保加利亞、捷克、芬蘭、意大利、盧森堡、葡萄牙、斯洛文尼亞和西班牙建設(shè) 8 家超算中心，以支持個(gè)性化醫(yī)療、藥物與材料設(shè)計(jì)、生物工程、天氣預(yù)測(cè)、氣候變化等領(lǐng)域的重大應(yīng)用的開發(fā)。在近期的 2020 地平線計(jì)劃中，歐洲計(jì)劃投入近 8 億歐元的資金用于 119 個(gè)與高性能計(jì)算應(yīng)用相關(guān)的研究項(xiàng)目 (部分項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表3 所示)。

1.1.2 國內(nèi)

當(dāng)前，由于知名高性能計(jì)算軟件均來自美國、歐洲等國際先進(jìn)科研機(jī)構(gòu)，直接導(dǎo)致我國部分高性能計(jì)算的重大應(yīng)用水平處于跟隨美國等發(fā)達(dá)國家的狀態(tài)，領(lǐng)域軟件的評(píng)價(jià)體系均以國外為主導(dǎo)，打破發(fā)達(dá)國家在常用計(jì)算軟件的壟斷地位具有一定難度。根據(jù)國內(nèi)超算 TOP100 發(fā)布的近三年數(shù)據(jù)顯示，大數(shù)據(jù)與機(jī)器學(xué)習(xí)所占份額最高，其次是科學(xué)計(jì)算與工程計(jì)算，隨后是信息服務(wù) (如圖2 所示)。其中，科學(xué)計(jì)算與工程計(jì)算的應(yīng)用領(lǐng)域主要分布在和模擬、復(fù)雜電磁環(huán)境、飛行棋設(shè)計(jì)與優(yōu)化、復(fù)雜工程與重大裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)、全球氣候變化與天氣預(yù)報(bào)、地球環(huán)境與資源勘探、生命科學(xué)、材料科學(xué)等方向。

表2 日本高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展歷程Table2 Development of high performance computer systems and applications in Japan

表3 2020 地平線計(jì)劃中部分有關(guān)高性能計(jì)算應(yīng)用項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Table3 Part of the 2020 horizon project statistics on HPC applications

為打破我國高性能計(jì)算應(yīng)用偏弱的局面，“十二·五”期間，國家“863 計(jì)劃”、“高性能計(jì)算機(jī)研制和應(yīng)用服務(wù)環(huán)境”重大項(xiàng)目各應(yīng)用領(lǐng)域部署了一系列高性能計(jì)算應(yīng)用課題，如高性能計(jì)算應(yīng)用支撐軟件框架體系研制、新藥研發(fā)與蛋白質(zhì)折疊數(shù)值模擬軟件系統(tǒng)及應(yīng)用、真實(shí)飛機(jī)外形全流場和優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)值模擬等，期望通過項(xiàng)目的實(shí)施提高我國高性能計(jì)算軟件的應(yīng)用水平，從技術(shù)上推動(dòng)我國相關(guān)領(lǐng)域的科技實(shí)力。

自 2016年開始，科技部按照“十三·五”的規(guī)劃要求，啟動(dòng)“高性能計(jì)算”重點(diǎn)專項(xiàng) 2016年度項(xiàng)目。本專項(xiàng)圍繞E級(jí)高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研制、高性能計(jì)算應(yīng)用軟件研發(fā)、高性能計(jì)算環(huán)境研發(fā)等三個(gè)創(chuàng)新鏈 (技術(shù)方向)部署 20 個(gè)重點(diǎn)研究任務(wù)，專項(xiàng)實(shí)施周期為 2016-2020年。主要研究內(nèi)容為E級(jí)計(jì)算機(jī)總體技術(shù)及評(píng)測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)，高性能應(yīng)用軟件研發(fā)與推廣應(yīng)用機(jī)制，重大行業(yè)高性能數(shù)值裝置和應(yīng)用軟件，E 級(jí)高性能應(yīng)用軟件編程框架及應(yīng)用示范，國家高性能計(jì)算環(huán)境服務(wù)化機(jī)制與支撐體系，基于國家高性能計(jì)算環(huán)境的服務(wù)系統(tǒng)等重大共性關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用示范研究，以及新型高性能互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、適應(yīng)于百億億次級(jí)計(jì)算的可計(jì)算物理建模與新型計(jì)算方法等基礎(chǔ)前沿研究。這些國家重點(diǎn)研究項(xiàng)目計(jì)劃充分體現(xiàn)了國家正在逐步加大高性能計(jì)算應(yīng)用研究的支持力度，也充分意識(shí)到對(duì)于應(yīng)用驅(qū)動(dòng)發(fā)展的戰(zhàn)略意義。

圖2 中國超算 TOP 100 應(yīng)用領(lǐng)域占比分析(2016年-2018年)Fig.2 Analysis of the proportion of China’s TOP 100 supercomputing applications (2016-2018)

1.2 歷年“戈登·貝爾”獎(jiǎng)應(yīng)用領(lǐng)域分布情況

從歷年獲得“戈登·貝爾”獎(jiǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析可以看出，美國在高性能計(jì)算模型及算法方面一直處于領(lǐng)先地位，中國在這一獎(jiǎng)項(xiàng)上早些年雖有落后，但近年來呈現(xiàn)趕超態(tài)勢(shì)。2016年，我國憑借在“神威·太湖之光”上運(yùn)行的“全球大氣非靜力云分辨模擬”應(yīng)用獲得該獎(jiǎng)項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)了我國高性能計(jì)算應(yīng)用成果在該獎(jiǎng)項(xiàng)上零的突破。該研究設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新的用于大氣動(dòng)力模擬的高可擴(kuò)展全隱式求解算法和軟件，世界上首次在大規(guī)模異構(gòu)眾核系統(tǒng) (神威·太湖之光)上實(shí)現(xiàn)了千萬核可擴(kuò)展的高效并行求解，第一次在有效時(shí)間尺度完成了網(wǎng)格分辨率小于 500 米的大氣模擬。次年11月，基于我國超級(jí)計(jì)算機(jī)“神威·太湖之光”的應(yīng)用“非線性地震模擬”再次攬獲該獎(jiǎng)。但是，從歷年的獲獎(jiǎng)國家分布可以看出 (如圖3 所示)，美國和日本仍然占據(jù)該獎(jiǎng)項(xiàng)的重要地位，并且美國在加強(qiáng)硬件系統(tǒng)研制的同時(shí)，繼續(xù)加大對(duì)高性能計(jì)算應(yīng)用的支持力度，加上美國、日本等發(fā)達(dá)國家對(duì)于高性能計(jì)算軟件與算法有著較為成熟和完整的更新迭代體系，因此較國內(nèi)的發(fā)展仍然占據(jù)重要的優(yōu)勢(shì)。

圖3 1988-2018年獲得“戈登·貝爾”獎(jiǎng)國家分布占比情況Fig.3 Distribution proportion of countries that won the Gordon bell prize from 1988 to 2018

通過對(duì) 30年間獲得“戈登·貝爾”獎(jiǎng)計(jì)算模型的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析我們可以發(fā)現(xiàn)，獲獎(jiǎng)最多的計(jì)算模型依次為偏微分方程、N 體問題、量子分子動(dòng)力學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)、量子蒙特卡羅、量子色動(dòng)力學(xué)、多物理、流體動(dòng)力學(xué)模擬、地幔流體模型、全隱式計(jì)算方法、非線性地震模擬、天氣模擬和混合精度遺傳算法等。

隨著高性能計(jì)算的發(fā)展，其應(yīng)用的領(lǐng)域也變得越來越廣，獲獎(jiǎng)模型變得越來越多樣化。從最初的幾乎完全集中在偏微分方程和 N 體問題到后來隨著超級(jí)計(jì)算系統(tǒng)計(jì)算能力和水平的提高也出現(xiàn)了多種多樣的模型，這表明高性能計(jì)算的進(jìn)步支持了更多應(yīng)用的發(fā)展，反過來，應(yīng)用方面對(duì)高性能計(jì)算的需求也倒逼了高性能計(jì)算的飛速發(fā)展。

1.3 全球 TOP 500 榜單中應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ρ确治?/h3>

回顧過去 30年間全球超級(jí)計(jì)算五百強(qiáng) TOP 500 榜單中應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展態(tài) 勢(shì)，信息進(jìn)程服務(wù)、數(shù)據(jù)庫、機(jī)械動(dòng)力學(xué)、化學(xué)、地理、天氣變化與氣候研究等呈現(xiàn)逐年縮減的趨勢(shì)；安全防御、能源、航空航天、基礎(chǔ)科學(xué)研究等領(lǐng)域應(yīng)用數(shù)量雖有增加，但整體比例呈現(xiàn)縮減趨勢(shì)；榜單上越來越多未給出具體領(lǐng)域的應(yīng)用占據(jù)重要份額，此項(xiàng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示當(dāng)前國際上大多數(shù)高性能計(jì)算應(yīng)用的研究已趨于多元化，并呈現(xiàn)出學(xué)科交叉的特色 (如圖4 所示)。

2 高性能計(jì)算應(yīng)用驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略建議

(1)面向世界科技前沿，強(qiáng)調(diào)先進(jìn)模型與算法的創(chuàng)新核心技術(shù)融合發(fā)展。

高性能計(jì)算應(yīng)用的關(guān)鍵在于先進(jìn)的模型與算法，同時(shí)操作系統(tǒng)、編譯系統(tǒng)、并行程序開發(fā)環(huán)境、科學(xué)計(jì)算可視化系統(tǒng)等也成為超級(jí)計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用環(huán)境的重要組成部分。據(jù)了解，美國能源部 (Department of Energy，DOE)雖然擁有世界上最先進(jìn)的計(jì)算平臺(tái)系統(tǒng)，但實(shí)際花費(fèi)在硬件上的投資不到總投資的 1/6，大部分預(yù)算都花在了物理建模、算法研究和軟件研制方面。

我們所處的信息社會(huì)、智能社會(huì)的支撐之本是計(jì)算，最初計(jì)算機(jī)的誕生就是面向科學(xué)計(jì)算的。當(dāng)前，人工智能計(jì)算、云計(jì)算、邊緣計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、霧計(jì)算、認(rèn)知計(jì)算等各種新技術(shù)層出不窮，發(fā)展態(tài)勢(shì)迅猛，尤其是高性能計(jì)算與人工智能的融合已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。如何創(chuàng)新地使用這些新的技術(shù)來挖掘高性能計(jì)算新的應(yīng)用領(lǐng)域，在解決重大科學(xué)問題上持續(xù)發(fā)力，在世界科技前沿的核心算法與模型研究領(lǐng)域融合發(fā)展，成為高性能計(jì)算應(yīng)用驅(qū)動(dòng)發(fā)展中值得深入思考的一點(diǎn)內(nèi)容。

此外，未來 HPC 的使用模式也可能更改。科學(xué)家不僅可以從臺(tái)式機(jī)或筆記本電腦訪問 HPC 資源，還可以從平板電腦、智能手機(jī)甚至傳感器設(shè)備訪問 HPC 資源。我們今天看到的 HPCE 大多在網(wǎng)絡(luò)空間內(nèi)。我們可能會(huì)看到將 HPC 環(huán)境擴(kuò)展到物質(zhì)世界的趨勢(shì)。事實(shí)上,目前已經(jīng)存在環(huán)境科學(xué)應(yīng)用，比如將傳感器設(shè)備與 HPCE 一起使用，收集和分析鳥類遷徙模式的數(shù)據(jù)等。這是一個(gè)基本的人機(jī)物三元計(jì)算場景：傳感器和無線通信技術(shù)將 HPCE 基礎(chǔ)設(shè)施擴(kuò)展到物質(zhì)世界，后端超級(jí)計(jì)算機(jī)執(zhí)行數(shù)據(jù)分析，科研人員協(xié)調(diào)并指導(dǎo)現(xiàn)場研究和后端計(jì)算任務(wù)。

圖4 1998-2018年TOP 500 應(yīng)用領(lǐng)域超級(jí)計(jì)算機(jī)表現(xiàn)分布Fig.4 Distribution of supercomputer performance in TOP500 application fields from 1998 to 2018

到 2035年，我們能否擁有一個(gè)無縫的人機(jī)物三元計(jì)算環(huán)境？在這樣的無縫環(huán)境中，科研人員、網(wǎng)絡(luò)空間和物質(zhì)世界都成為新的 HPCE 中的資源和研究目標(biāo)。我們可以預(yù)測(cè)，到 2035年，某種無縫智能將用于科學(xué)研究。這種無縫的創(chuàng)新核心技術(shù)高度融合的環(huán)境不僅有利于高端科學(xué)研究，也有利于高中和大學(xué)的學(xué)生進(jìn)行普通的科學(xué)和工程實(shí)驗(yàn)[9]。

(2)面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場，加速促進(jìn)國產(chǎn)自主可控的應(yīng)用軟件產(chǎn)業(yè)化。

高性能計(jì)算產(chǎn)生的原始創(chuàng)新和高端技術(shù)會(huì)影響下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此美國、日本、歐盟等在這方面均有大量的投入，包括資金和人力，以確保其技術(shù)始終保持著領(lǐng)先地位。反觀我國，當(dāng)前大型科學(xué)計(jì)算的應(yīng)用軟件基本上都依靠進(jìn)口，國內(nèi)大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域依然需要使用國外的開源軟件和商業(yè)軟件，自主研發(fā)的軟件相對(duì)匱乏或不太成熟。比如，材料科學(xué)、生命科學(xué)和大氣科學(xué)多使用國外的開源軟件；計(jì)算機(jī)輔助工程、計(jì)算流體力學(xué)多為國外大型商業(yè)軟件，國內(nèi)開源軟件適用范圍還不大；量子動(dòng)力學(xué)則主要以自主研發(fā)的程序?yàn)橹鱗10]。

我國的高性能計(jì)算經(jīng)費(fèi)用于應(yīng)用軟件開發(fā)的還不到 10%，美國相應(yīng)的投入資金約為中國的 6 倍，并且國內(nèi)高性能計(jì)算的應(yīng)用場所主要仍在高校、科研院所，企業(yè)所用超算極少，而應(yīng)用領(lǐng)域也多分布在傳統(tǒng)的科學(xué)大數(shù)據(jù)分析、工程計(jì)算等方面[11]。

因此，以面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場為目標(biāo)，加速促進(jìn)生產(chǎn)批量化的國產(chǎn)自主可控應(yīng)用軟件，并投入市場接受市場的檢驗(yàn)，以此形成應(yīng)用軟件的產(chǎn)業(yè)化是實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算應(yīng)用驅(qū)動(dòng)生態(tài)良性發(fā)展的又一點(diǎn)值得深入思考的內(nèi)容。

(3)面向國家重大需求，注重交叉學(xué)科深入研究，切實(shí)與社會(huì)發(fā)展緊密結(jié)合。

從國家戰(zhàn)略發(fā)展層面看，國產(chǎn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)須要配備國產(chǎn)的自主可控的應(yīng)用軟件。要發(fā)揮高性能計(jì)算機(jī)的高速硬件優(yōu)勢(shì)，必須要有適用的算法和調(diào)優(yōu)的應(yīng)用程序來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模計(jì)算作業(yè)之間的并行。高性能計(jì)算應(yīng)用的發(fā)展和進(jìn)步需要數(shù)學(xué)、計(jì)算科學(xué)、應(yīng)用領(lǐng)域等學(xué)科的深度交叉融合。

此外，高性能計(jì)算應(yīng)用軟件的研制有其特殊性，對(duì)學(xué)科交叉、物理建模、共性算法研究、應(yīng)用軟件研制等也有著全面的要求。因此，如何準(zhǔn)確系統(tǒng)的把握國家的重大需求及其客觀規(guī)律，切實(shí)將高性能計(jì)算技術(shù)與學(xué)科應(yīng)用領(lǐng)域的內(nèi)在需求和關(guān)聯(lián)緊密結(jié)合，成為高性能計(jì)算應(yīng)用驅(qū)動(dòng)發(fā)展的第三點(diǎn)值得深入思考的內(nèi)容。

3 結(jié)語

我國《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》(國發(fā)〔2016〕43 號(hào))明確提出“發(fā)展先進(jìn)計(jì)算技術(shù)，重點(diǎn)加強(qiáng) E 級(jí) (百億億次級(jí))計(jì)算、云計(jì)算、量子計(jì)算、人本計(jì)算、異構(gòu)計(jì)算、智能計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用”[12]。其中，在介紹有關(guān)高性能計(jì)算的發(fā)展規(guī)劃中，特別強(qiáng)調(diào)要“研發(fā)一批關(guān)鍵領(lǐng)域/行業(yè)的高性能計(jì)算應(yīng)用軟件，建立若干高性能計(jì)算應(yīng)用軟件中心，構(gòu)建高性能計(jì)算應(yīng)用生態(tài)環(huán)境。”因此，在部署高性能計(jì)算機(jī)研制的時(shí)候，我們對(duì)應(yīng)用軟件、算法的部署應(yīng)一并跟上，而且要側(cè)重做一些突破性的投入和研發(fā)，以應(yīng)用為驅(qū)動(dòng)力，以滿足實(shí)際應(yīng)用需求來發(fā)展中國的高性能計(jì)算產(chǎn)業(yè)、技術(shù)和學(xué)術(shù)，并設(shè)立長期穩(wěn)定的科學(xué)目標(biāo)。圍繞該目標(biāo)，開展長期、持續(xù)的應(yīng)用軟件研發(fā)[13]。高性能計(jì)算的軟、硬件環(huán)境需要做到一體化的生態(tài)發(fā)展，只有這樣才能真正提高國家高性能計(jì)算的整體實(shí)力，也只有這樣才能更好的為國民經(jīng)濟(jì)服務(wù)，促進(jìn)實(shí)現(xiàn)國家的繁榮發(fā)展。