摘 要 從1983年中國(guó)第一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)“銀河-I”研制成功到如今“天河”“神威”系列超級(jí)計(jì)算機(jī)排名世界第一，40多年的中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)研制史輝煌亮眼。但是，一些發(fā)展中的問(wèn)題還沒(méi)有被足夠重視，一些研究的不足還需要關(guān)注和探討。對(duì)中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)的自主創(chuàng)新、軟硬件、應(yīng)用、能耗、人才等方面做試探性反思，對(duì)中國(guó)正由“超算大國(guó)”向“超算強(qiáng)國(guó)”發(fā)展，特別是在中美在該領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)白熱化的今天具有一定意義和啟示。

關(guān)鍵詞 超級(jí)計(jì)算機(jī) 自主創(chuàng)新 銀河-I

中圖分類號(hào) N092

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

超級(jí)計(jì)算機(jī)（Supercomputer），又稱巨型計(jì)算機(jī)①，是指在一定的生產(chǎn)工藝條件下，采用最先進(jìn)技術(shù)、工藝設(shè)計(jì)生產(chǎn)出來(lái)的功能最強(qiáng)、運(yùn)算速度最快、存儲(chǔ)容量最大、檔次最高、面向科學(xué)與工程的電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[1]。超級(jí)計(jì)算機(jī)通常由成千上萬(wàn)個(gè)處理器（機(jī)）組成，具有巨大的數(shù)值計(jì)算能力和數(shù)據(jù)處理能力，能計(jì)算普通個(gè)人計(jì)算機(jī)和服務(wù)器不能完成的大型復(fù)雜課題。工業(yè)界的普遍標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為，浮點(diǎn)運(yùn)算速度為每秒1億次以上的數(shù)字式電子計(jì)算機(jī)才是超級(jí)計(jì)算機(jī)[2]。超級(jí)計(jì)算機(jī)一向被稱為國(guó)之重器，是世界各國(guó)競(jìng)相角逐的科技制高點(diǎn)，也是一個(gè)國(guó)家科技實(shí)力的重要標(biāo)志之一。

中國(guó)第一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)是國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)于1983年12月研制成功的“銀河-I”，這臺(tái)計(jì)算機(jī)在國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮了重要作用，中國(guó)也成為世界上少數(shù)幾個(gè)能夠研制超級(jí)計(jì)算機(jī)的國(guó)家之一[3]。此后我國(guó)在超級(jí)計(jì)算機(jī)研制方面捷報(bào)頻傳，如國(guó)防科大、國(guó)家并行計(jì)算中心、中科院計(jì)算所、聯(lián)想集團(tuán)等單位相繼推出了“銀河”“神威”“曙光”“深騰”等一系列國(guó)產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng);2010年11月，中國(guó)千萬(wàn)億次超級(jí)計(jì)算機(jī)“天河一號(hào)”在世界超級(jí)計(jì)算機(jī)五百?gòu)?qiáng)排行榜（TOP500）上首次問(wèn)鼎冠軍，2013-2018年，中國(guó)“天河二號(hào)”和“神威·太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)連續(xù)排位第一名，實(shí)現(xiàn)世界超算“十連冠”[4]。

40多年來(lái)，中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)研制從“零的突破”到“世界之巔”，集中地反映了這一國(guó)家大型科學(xué)工程項(xiàng)目著眼國(guó)家戰(zhàn)略需求，堅(jiān)持走中國(guó)特色自主創(chuàng)新之路的科研歷程。不僅滿足了中國(guó)尖端技術(shù)研究的急需，支援了國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)，也積累了一整套研發(fā)高性能計(jì)算機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，使中國(guó)人在掌握計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)上向前跨越了一大步，成果和效用自不待言。但是，中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)研制歷程的背后，一些發(fā)展中的問(wèn)題還沒(méi)有被足夠重視，一些研究的不足還需要關(guān)注和探討。特別是2018-2020年，美國(guó)“頂點(diǎn)”（Summit）和日本“富岳”（Fugaku）等超級(jí)計(jì)算機(jī)先后超越中國(guó)的“神威·太湖之光”成為世界最快超級(jí)計(jì)算機(jī)，而中國(guó)的新一代超級(jí)計(jì)算機(jī)遲遲未能推出。

因此，中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)到今天有必要進(jìn)行自我總結(jié)，對(duì)其面臨的深層次問(wèn)題進(jìn)行一些反思，以期在全球高端科技、尤其是高性能計(jì)算機(jī)研發(fā)領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)異常激烈的今天，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，為決策者及研究同行提供現(xiàn)實(shí)參考。

一 自主創(chuàng)新路向何方

“創(chuàng)新”在科技類文章中是一個(gè)常用詞，大量文獻(xiàn)中使用對(duì)“創(chuàng)新”概念的闡述均來(lái)源于20世紀(jì)初美籍奧地利經(jīng)濟(jì)學(xué)家約瑟夫·熊彼特（J. A. Joseph Alois Schumpeter，1883-1950），他在《經(jīng)濟(jì)發(fā)展理論》一書(shū)中對(duì)創(chuàng)新進(jìn)行了系統(tǒng)的理論研究。熊彼特的研究雖然具有普適性，但嚴(yán)格意義上講，他對(duì)的“創(chuàng)新”的闡釋主要還是針對(duì)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域和社會(huì)生產(chǎn)領(lǐng)域，而并非科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代，中國(guó)學(xué)界開(kāi)始主動(dòng)借鑒西方創(chuàng)新理論研究，并結(jié)合自身特點(diǎn)和實(shí)踐歷程對(duì)有關(guān)理論進(jìn)行完善。進(jìn)入21世紀(jì)，中國(guó)《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》中，對(duì)自主創(chuàng)新的定義是“通過(guò)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的獨(dú)特的核心技術(shù)以及在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品的價(jià)值的過(guò)程”[5]，主要包括原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新三種形式。原始創(chuàng)新指前所未有的科學(xué)發(fā)現(xiàn)、技術(shù)發(fā)明、原理性主導(dǎo)技術(shù)等創(chuàng)新成果;集成創(chuàng)新指通過(guò)對(duì)各種現(xiàn)有技術(shù)的有效集成，形成有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品或者新興產(chǎn)業(yè);引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新是指在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)、分析、借鑒，進(jìn)行再創(chuàng)新，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)。

由于國(guó)外技術(shù)封鎖和國(guó)內(nèi)技術(shù)落后的原因，中國(guó)首臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)銀河-I在研制之初，就確定了“走一條自力更生、學(xué)習(xí)與獨(dú)創(chuàng)相結(jié)合，起點(diǎn)跟得上當(dāng)時(shí)國(guó)際水平的新路子”[6]。銀河-I是以美國(guó)第一臺(tái)可持續(xù)性能達(dá)到每秒1億次以上速度的向量超級(jí)計(jì)算機(jī)Cray-1為范本研制的，它在總體方案上瞄準(zhǔn)Cray-1，借鑒其成功的設(shè)計(jì)思想;同時(shí)對(duì)當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)沒(méi)有或是不能保證質(zhì)量的核心元器件，設(shè)法從外國(guó)引進(jìn)。因此，銀河-I并不是完全自主創(chuàng)新的成果，而是小部分原始創(chuàng)新和大部分集成創(chuàng)新結(jié)合的產(chǎn)物。例如，對(duì)于無(wú)法洞悉Cary-1究竟如何實(shí)現(xiàn)億次計(jì)算，銀河-I研制人員通過(guò)原始創(chuàng)新，突破了雙向量陣列體系結(jié)構(gòu)、改進(jìn)浮點(diǎn)倒數(shù)近似迭代算法、指令鏈接與流水控制、素?cái)?shù)模雙總線交叉訪問(wèn)的存儲(chǔ)控制等關(guān)鍵技術(shù)。而銀河-I的整體工程實(shí)現(xiàn)，是通過(guò)大規(guī)模綜合集成創(chuàng)新完成的。事實(shí)證明，當(dāng)時(shí)這樣做既為整個(gè)工程爭(zhēng)取了時(shí)間，節(jié)約了研制經(jīng)費(fèi)，又保證了銀河-I系統(tǒng)性能的高水平。20世紀(jì)七八十年代，中國(guó)與西方發(fā)達(dá)國(guó)家存在較大技術(shù)差距，銀河-I研制利用改革開(kāi)放條件，走原始創(chuàng)新和集成創(chuàng)新相結(jié)合的路子有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。此后采用同樣模式又相繼誕生了銀河-Ⅱ、銀河-Ⅲ等系列超級(jí)計(jì)算機(jī)。同時(shí)，機(jī)制更為靈活的中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)技術(shù)研究所、聯(lián)想集團(tuán)等單位和企業(yè)，采用“引進(jìn)-消化-吸收-再創(chuàng)新”的方式，研發(fā)成功“曙光-1”“深騰-1800”等系列超級(jí)計(jì)算機(jī)，完成了從大規(guī)模并行體系結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，到可擴(kuò)展共享存儲(chǔ)并行體系結(jié)構(gòu)的跨越。

但是，中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)的自主創(chuàng)新之路并不平坦。2010年11月，當(dāng)“天河一號(hào)”成為世界最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)，其核心部件90%以上卻依然采用了美國(guó)英特爾公司和AMD公司最先進(jìn)的CPU（中央處理器）和GPU（圖形加速器）[7]。連續(xù)六次登頂世界超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)之首的“天河二號(hào)”，其硬件系統(tǒng)主要部件的計(jì)算陣列全部采用美國(guó)商用微處理器[8]。2010年曾排名世界第二的中國(guó)“曙光星云”超級(jí)計(jì)算機(jī)，核心部件全部是由國(guó)外英特爾和英偉達(dá)芯片構(gòu)建的。在中國(guó)已成為世界第二大經(jīng)濟(jì)體的今天，國(guó)產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)核心部件仍大量使用國(guó)外進(jìn)口芯片就不免受到公眾的質(zhì)疑。事實(shí)上，以集成創(chuàng)新為主的模式最終只能仿制別人、依靠別人，引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新的模式最后會(huì)落入“落后-引進(jìn)-再落后-再引進(jìn)”的陷阱。2015年，美國(guó)政府禁止了英特爾等企業(yè)向中國(guó)出口超級(jí)計(jì)算機(jī)有關(guān)的設(shè)施與技術(shù);2018年，美國(guó)商務(wù)部又簽署了禁購(gòu)令，要求所有美國(guó)公司不得向中國(guó)企業(yè)出口包括芯片、軟件、操作系統(tǒng)等商品。這對(duì)從事中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)研制的一些單位產(chǎn)生了不利影響，使已經(jīng)運(yùn)行的某型超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)未能繼續(xù)升級(jí)，甚至導(dǎo)致某項(xiàng)百億億次級(jí)計(jì)算系統(tǒng)研制進(jìn)度一再推遲。

但是，無(wú)論任何時(shí)候，最核心、最關(guān)鍵的技術(shù)是買(mǎi)不來(lái)的，只能靠我國(guó)自己研發(fā)?！吧裢ぬ狻笔褂米灾餮兄频膰?guó)產(chǎn)CPU作為核心部件，開(kāi)始探索“完全原始創(chuàng)新”研發(fā)模式。它是世界上首臺(tái)運(yùn)行速度超過(guò)十億億次的超級(jí)計(jì)算機(jī)，也是中國(guó)第一臺(tái)全部采用國(guó)產(chǎn)處理器構(gòu)建的超級(jí)計(jì)算機(jī)[9]。然而，“神威·太湖之光”使用的國(guó)產(chǎn)“申威26010”眾核處理器與當(dāng)今國(guó)際最先進(jìn)的芯片相比，仍然有不小差距。著名超級(jí)計(jì)算機(jī)專家、中國(guó)科學(xué)院院士周興銘坦言，“目前國(guó)內(nèi)制造的CPU從整體上來(lái)看性能低、功耗高，物理設(shè)計(jì)比國(guó)外差一代以上，工藝差兩代以上”[司宏偉訪談周興銘院士，2019年9月25日，上海。]。

過(guò)去40多年，國(guó)家在超級(jí)計(jì)算機(jī)芯片技術(shù)原始創(chuàng)新等方面的研究和投入都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，依靠引進(jìn)和集成去追求“世界第一”并不是長(zhǎng)久之計(jì)，中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)自主創(chuàng)新任重道遠(yuǎn)。

二 “重硬輕軟”歷史頑疾

20世紀(jì)中后期，中國(guó)計(jì)算機(jī)行業(yè)普遍對(duì)軟件的重要性認(rèn)識(shí)不足，一直存在重視硬件、輕視軟件的現(xiàn)象，軟件水平與西方國(guó)家差距很大。1978年銀河-I研制初始，為了解決好這個(gè)問(wèn)題，科研人員決定把主機(jī)與軟件共同列為主攻方向，并立即啟動(dòng)軟件開(kāi)發(fā)工作，總設(shè)計(jì)師慈云桂還親自兼任軟件總體組的組長(zhǎng)。但是，由于國(guó)際上計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)迅猛發(fā)展和國(guó)內(nèi)軟件技術(shù)力量薄弱的現(xiàn)實(shí)，直到1983年銀河-I研制完成，其包括匯編器、編譯程序、操作系統(tǒng)在內(nèi)的軟件系統(tǒng)僅僅才做到與Cray-1兼容。同時(shí)，銀河-I在軟件方面的缺點(diǎn)還有不少：并行算法和并行程序設(shè)計(jì)的研究不夠;局部網(wǎng)系統(tǒng)研究與建設(shè)還沒(méi)有及時(shí)跟上;繪圖軟件沒(méi)有同步開(kāi)發(fā)，以致未能滿足部分大型用戶上機(jī)的急需;與用戶結(jié)合的科學(xué)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)和專用程序包少，導(dǎo)致某些有戶單位本身應(yīng)用程序在銀河-I上的向量計(jì)算效率存在困難，等等[10]。

時(shí)至今日，大到國(guó)與國(guó)之間的競(jìng)爭(zhēng)，小到重點(diǎn)項(xiàng)目的完成，越來(lái)越離不開(kāi)擁有強(qiáng)大計(jì)算能力的超級(jí)計(jì)算機(jī)，中國(guó)的超算遇到難得的發(fā)展好時(shí)機(jī)，但“重硬輕軟”的問(wèn)題還沒(méi)有得到根本性的改變[11]。與微處理器芯片等硬件相比，中國(guó)與西方強(qiáng)國(guó)在軟件系統(tǒng)上的差距更大。例如“天河一號(hào)”“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)安裝的國(guó)產(chǎn)“麒麟”操作系統(tǒng)，目前都還沒(méi)有形成大規(guī)模的軟件開(kāi)發(fā)與使用生態(tài)鏈。

要用好超級(jí)計(jì)算機(jī)，必須在每個(gè)專業(yè)學(xué)科領(lǐng)域--工業(yè)、流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)仿真、生命科學(xué)等，都開(kāi)發(fā)出專門(mén)的應(yīng)用軟件。超級(jí)計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件是具體的體現(xiàn)，應(yīng)用問(wèn)題不同，與之相應(yīng)的應(yīng)用軟件則也不同。應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)、研制和驗(yàn)證是一個(gè)系統(tǒng)工程，應(yīng)用問(wèn)題越復(fù)雜，應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)研制越困難、研制周期越長(zhǎng)。而在中國(guó)，這類軟件的自主研發(fā)能力極其有限，應(yīng)用軟件的發(fā)展落后于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展成為不爭(zhēng)事實(shí)。軟件在超級(jí)計(jì)算機(jī)應(yīng)用發(fā)展中處于關(guān)鍵性地位，應(yīng)用軟件的滯后也嚴(yán)重影響了中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)的實(shí)際使用。

發(fā)展滯后的原因與中國(guó)在超級(jí)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展政策與路徑有關(guān)。西方發(fā)達(dá)國(guó)家超級(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展，是因?yàn)樾枰鉀Q某些具體應(yīng)用需求難點(diǎn)而在計(jì)算層面進(jìn)行創(chuàng)新，從而帶動(dòng)系統(tǒng)硬件不斷升級(jí)--這一過(guò)程是先“軟”后“硬”，或者“軟”“硬”同步。中國(guó)發(fā)展超級(jí)計(jì)算機(jī)始終是硬件優(yōu)先、軟件隨后，其結(jié)果是盡管計(jì)算速度上去了，機(jī)器上運(yùn)行的應(yīng)用軟件自主研發(fā)跟不上，大多仍使用國(guó)外現(xiàn)成的。一旦國(guó)外限制對(duì)中國(guó)出口高端、關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)用軟件，就會(huì)進(jìn)一步造成國(guó)產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)相關(guān)應(yīng)用的缺失。

超級(jí)計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件作為戰(zhàn)略科技創(chuàng)新基本工具，直接服務(wù)于國(guó)家重大科技項(xiàng)目，專業(yè)性和多學(xué)科交叉性非常強(qiáng)，切實(shí)需要國(guó)家在政策層面上“軟”“硬”并重，實(shí)施長(zhǎng)期的規(guī)劃、穩(wěn)定的經(jīng)費(fèi)支持和重點(diǎn)專項(xiàng)投資。

三 應(yīng)用能力始終不足

超級(jí)計(jì)算機(jī)從誕生之日起就有明確的應(yīng)用目的。1976年美國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)Cray-1一經(jīng)問(wèn)世，首先被美國(guó)軍方用于研制增強(qiáng)安全性能的戰(zhàn)略核彈頭。該機(jī)連續(xù)生產(chǎn)的16臺(tái)和后續(xù)系列機(jī)型，始終應(yīng)用于美國(guó)“核霸權(quán)”戰(zhàn)略需求。美國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)的建設(shè)方一般都是使用方，先有計(jì)算量需求，根據(jù)所需計(jì)算量設(shè)計(jì)系統(tǒng)，再根據(jù)需求設(shè)計(jì)超級(jí)計(jì)算機(jī)。中國(guó)則不同，是先進(jìn)行建設(shè)，盡力提高建能，再嘗試滿足更高的計(jì)算需求。

銀河-I研制，某種程度上說(shuō)是為了首先“打破西方技術(shù)封鎖”的政治需要，象征意義大于現(xiàn)實(shí)意義。銀河-I一共只生產(chǎn)了3臺(tái)，一臺(tái)在河北涿縣石油部物探局研究院作為“銀河地震數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)”主機(jī)，一臺(tái)在四川綿陽(yáng)作為西南計(jì)算中心主機(jī)，一臺(tái)留在湖南長(zhǎng)沙國(guó)防科大計(jì)算機(jī)研究所作為業(yè)務(wù)主機(jī)[12]。銀河-I研制成功后，由于沒(méi)有持續(xù)的新應(yīng)用需求，研制單位一直等待了5年，才使后續(xù)十億次超級(jí)計(jì)算機(jī)銀河-Ⅱ批準(zhǔn)立項(xiàng)[13]。在計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的年代，5年時(shí)間消耗十分殘酷。20世紀(jì)末，在超級(jí)計(jì)算機(jī)技術(shù)支持下，美國(guó)、日本等國(guó)的汽車、飛機(jī)、航天、電影等一大批產(chǎn)業(yè)發(fā)展很快，超級(jí)計(jì)算應(yīng)用已經(jīng)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)現(xiàn)了融合。而在同一歷史時(shí)期，中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)應(yīng)用還僅局限于氣象、航天等專業(yè)領(lǐng)域，應(yīng)用的瓶頸不僅導(dǎo)致了超級(jí)計(jì)算機(jī)資源無(wú)法充分應(yīng)用到社會(huì)、科研及生產(chǎn)之中，同時(shí)也限制了國(guó)產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)自身的發(fā)展。

進(jìn)入新世紀(jì)，超級(jí)計(jì)算機(jī)開(kāi)始作為一種公共設(shè)施面向社會(huì)提供應(yīng)用服務(wù)，美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家相繼開(kāi)始建設(shè)國(guó)家級(jí)的超級(jí)計(jì)算中心。超算中心成為基于數(shù)值模擬進(jìn)行研發(fā)創(chuàng)新的主要平臺(tái)和一個(gè)國(guó)家或地區(qū)科技競(jìng)爭(zhēng)力的主要標(biāo)志之一。2000年，中國(guó)成立了首家超算中心--上海超級(jí)計(jì)算中心。截至目前，中國(guó)已有國(guó)家超級(jí)計(jì)算天津中心、濟(jì)南中心、長(zhǎng)沙中心、深圳中心、廣州中心、無(wú)錫中心等6個(gè)國(guó)家級(jí)超算中心，以及上海、成都、合肥等區(qū)域性超算中心。這些超算中心的應(yīng)用狀況如何？曾有媒體公開(kāi)報(bào)道，安裝有“天河一號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)的國(guó)家超算長(zhǎng)沙中心自2010年11月開(kāi)始籌建，2013年9月“天河一號(hào)”主機(jī)設(shè)備安裝到位后一直封存，并沒(méi)有正式運(yùn)營(yíng)，直到2014年6月才啟動(dòng)測(cè)試，閑置了將近一年時(shí)間[14]。而“天河二號(hào)”所在的國(guó)家超算廣州中心2014年落戶以來(lái)，嫁接國(guó)家重大領(lǐng)域的科研項(xiàng)目較少，應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)的周期過(guò)長(zhǎng)，技術(shù)支撐尚未形成系統(tǒng)。2015年該中心的利用率僅為60%;用戶占比上，83%是政府機(jī)關(guān)、高校、科研院所，企業(yè)用戶只有17%，存在嚴(yán)重的“業(yè)務(wù)荒”[15]。

一邊在努力提升科技創(chuàng)新能力，另一邊卻讓世界最先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)閑置--這就是當(dāng)前中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)應(yīng)用的尷尬境地。其實(shí)，應(yīng)用比研發(fā)更難。如何讓超級(jí)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用對(duì)接高等院校、科研院所，特別是工業(yè)企業(yè)，新業(yè)態(tài)中小企業(yè)，服務(wù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)，助力戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，帶動(dòng)科技創(chuàng)新發(fā)展，是必須要認(rèn)真思考的問(wèn)題。只有大力推動(dòng)普及化應(yīng)用，應(yīng)用需求與產(chǎn)業(yè)化規(guī)模得到有效提升，中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)才能真正做大做強(qiáng)。

四 能耗過(guò)高飽受詬病

在超級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)展的所有挑戰(zhàn)中，能耗是最嚴(yán)峻的問(wèn)題之一。能耗問(wèn)題與超級(jí)計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)、工藝水平和制冷技術(shù)等密切相關(guān)。由于超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)規(guī)模越來(lái)越大，體系結(jié)構(gòu)和工藝水平對(duì)于降低功耗影響有限，機(jī)器的散熱制冷變得日益重要。美國(guó)Cray-1的功耗非常大，本身達(dá)到115千瓦。為防止其因高溫而發(fā)生熔斷，研制者為它設(shè)計(jì)了一個(gè)大功率氟利昂液態(tài)制冷設(shè)備用于散熱，這更增加了耗能。銀河-I研制初期，技術(shù)上達(dá)不到采用液態(tài)制冷降低耗能，而改用傳統(tǒng)的風(fēng)冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)散熱，全機(jī)能耗達(dá)到25千瓦，是20世紀(jì)80年代國(guó)內(nèi)能耗最大的計(jì)算機(jī)。

隨著超級(jí)計(jì)算機(jī)的不斷升級(jí)，大規(guī)模并行計(jì)算系統(tǒng)需要花費(fèi)更多能量，其能源消耗呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)。能耗也成了與計(jì)算速度同等重要的度量指標(biāo)，國(guó)際業(yè)界科學(xué)家從2007年起發(fā)起與TOP500同步的Green500排行榜作為國(guó)際超級(jí)計(jì)算機(jī)能耗水平的權(quán)威評(píng)價(jià)。美國(guó)2012年10月和2018年6月排名世界最快超級(jí)計(jì)算機(jī)的“泰坦”“頂點(diǎn)”都是相對(duì)能耗較低的機(jī)器，其制冷技術(shù)也發(fā)展到了更先進(jìn)的浸入式液冷模式。

“神威·太湖之光”和“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)使用大規(guī)模通風(fēng)散熱結(jié)合水力空調(diào)系統(tǒng)用于制冷，總體上不利于降低能耗?！吧裢ぬ狻币荒甑挠秒娏窟_(dá)到15兆瓦，相當(dāng)于3個(gè)清華大學(xué)的用電量。“天河二號(hào)”能耗高達(dá)24兆瓦，是“天河一號(hào)”的6倍，問(wèn)世后即成為當(dāng)時(shí)世界超級(jí)計(jì)算機(jī)中功耗最大的機(jī)器?！疤旌佣?hào)”年耗電量約為2億度，一年僅電費(fèi)就要1億元人民幣，全速運(yùn)算的話，電費(fèi)更高達(dá)1.5億。此外，為了應(yīng)對(duì)全機(jī)散熱系統(tǒng)本身因?yàn)楦哓?fù)荷產(chǎn)生的高溫，廣州市政府在超算中心3公里外專門(mén)為“天河二號(hào)”建設(shè)了一個(gè)冷水廠，每天不間斷運(yùn)送8攝氏度的水為散熱系統(tǒng)降溫，這又增加了相當(dāng)多的能源消耗，一度引起國(guó)內(nèi)輿論批評(píng)[16]。民眾甚至調(diào)侃，未來(lái)可以把超級(jí)計(jì)算機(jī)建到核電站旁邊。從現(xiàn)實(shí)角度考慮，為超級(jí)計(jì)算機(jī)配套一個(gè)核電站是不可能的，但如果按現(xiàn)有條件發(fā)展，中國(guó)下一代超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的電力消耗可能將會(huì)大到無(wú)法接受。測(cè)算表明，若以目前傳統(tǒng)技術(shù)方法構(gòu)建一臺(tái)運(yùn)算速度達(dá)每秒百億億次以上的超級(jí)計(jì)算機(jī)，能耗將會(huì)超過(guò)三峽水庫(kù)發(fā)電量的1/3。

當(dāng)前國(guó)際上已經(jīng)改變單純用計(jì)算性能排名的辦法，開(kāi)始以能耗性能比等其他要素進(jìn)行超級(jí)計(jì)算機(jī)的排名。國(guó)產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)展也應(yīng)該面向?qū)嶋H，在系統(tǒng)功耗、系統(tǒng)實(shí)用效率、系統(tǒng)穩(wěn)定性以及整體成本上統(tǒng)籌考慮，做出整體能效高、用戶歡迎的機(jī)器，而不是不計(jì)成本地、片面地追求計(jì)算速度。要是不能很好解決高居不下的能耗問(wèn)題，即使中國(guó)研發(fā)出速度再快的超級(jí)計(jì)算機(jī)，它的實(shí)用價(jià)值和存在意義在全球范圍內(nèi)也會(huì)變得非常小。

五 超算人才仍是短板

超級(jí)計(jì)算機(jī)研制、運(yùn)行、發(fā)展，最終還是要靠人才支撐。中國(guó)的超級(jí)計(jì)算機(jī)人才瓶頸問(wèn)題始終解決的不好。

第一，對(duì)超算人才的健康保障不夠。研發(fā)中國(guó)首臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)銀河-I是當(dāng)時(shí)的國(guó)防重大科研任務(wù)，研制方過(guò)于強(qiáng)調(diào)采取“作戰(zhàn)式”“命令式”的做法來(lái)加快推進(jìn)工程進(jìn)度，開(kāi)誓師大會(huì)、寫(xiě)請(qǐng)戰(zhàn)書(shū)、立軍令狀、封閉攻關(guān)，一系列高壓緊張的工作方式，對(duì)科研人員的身心健康產(chǎn)生了很大影響。銀河-I總設(shè)計(jì)師兼總指揮慈云桂，繁重的研制任務(wù)嚴(yán)重?fù)p耗了他的身體和精力，1983年銀河-I研制成功后就退居二線，不久就因積勞成疾不幸病逝。還有一些中青年科研骨干，在銀河-I研制期間就英年早逝，例如鐘士熙教授49歲、蹇賢福副教授43歲、王育民副研究員41歲、張樹(shù)生講師40歲、俞午龍助理研究員35歲，等等。有人做過(guò)統(tǒng)計(jì)，在崗犧牲的科研人員數(shù)量足夠組織起另一支銀河-I研制隊(duì)伍[17]。直到十年后1993年銀河-Ⅱ研制成功，研制方開(kāi)始逐漸開(kāi)始關(guān)注對(duì)科研人員的身心健康保障問(wèn)題。

第二，對(duì)超算人才的獎(jiǎng)勵(lì)激勵(lì)不夠。對(duì)人才的獎(jiǎng)勵(lì)激勵(lì)無(wú)外乎就是精神方面或者物質(zhì)方面。1983年銀河-I研制成功曾獲特等國(guó)防科技成果獎(jiǎng)，由于歷史條件所限，只有8人能夠因此榮獲個(gè)人二等功，國(guó)家頒發(fā)給主要完成者的最高獎(jiǎng)金也不過(guò)400元。而到了2009年“天河一號(hào)”研制成功時(shí)，這支數(shù)百人的科研團(tuán)隊(duì)卻僅有十幾人可以在項(xiàng)目成果獎(jiǎng)上掛名獎(jiǎng)勵(lì)。而“天河二號(hào)”研制經(jīng)費(fèi)已高達(dá)10億元以上，卻不能給參研人員發(fā)1分錢(qián)的物質(zhì)獎(jiǎng)勵(lì)。獎(jiǎng)勵(lì)激勵(lì)不足，加上體制機(jī)制改革，導(dǎo)致近年來(lái)“天河”超級(jí)計(jì)算機(jī)研發(fā)團(tuán)隊(duì)有多名副總設(shè)計(jì)師、一大批主任設(shè)計(jì)師級(jí)別的科研人員紛紛轉(zhuǎn)業(yè)、調(diào)崗、退役、離職，造成人才不斷流失。

第三，對(duì)超算人才的培養(yǎng)不夠。超級(jí)計(jì)算機(jī)已成為世界各國(guó)科技創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施的大背景下，未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)著力點(diǎn)已由單純的超算峰值性能競(jìng)爭(zhēng)逐漸轉(zhuǎn)向關(guān)注超算普及以及高水平人才培養(yǎng)。美國(guó)現(xiàn)有超級(jí)計(jì)算機(jī)高級(jí)專業(yè)人才已經(jīng)超過(guò)1萬(wàn)人，而在中國(guó)，超算方面的人才奇缺。深圳、廣州等超級(jí)計(jì)算中心給高級(jí)技術(shù)人員開(kāi)出的條件是年薪100萬(wàn)元，即使這樣的高薪待遇都往往一才難求。此前，從本科起就專門(mén)針對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)培養(yǎng)人才的國(guó)內(nèi)大學(xué)只有清華大學(xué)和國(guó)防科技大學(xué)。對(duì)于中國(guó)缺乏超算人才、更缺乏超級(jí)計(jì)算機(jī)與多學(xué)科交叉復(fù)合型人才的現(xiàn)狀，這樣的培養(yǎng)規(guī)模顯然不夠。中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)集成電路設(shè)計(jì)分會(huì)理事長(zhǎng)、清華大學(xué)微電子研究所原所長(zhǎng)魏少軍在談到超算人才培養(yǎng)問(wèn)題時(shí)，曾憂心忡忡地說(shuō)：“這幾年，我們?cè)冢ǔ悖┤瞬排囵B(yǎng)上遇到一個(gè)不大不小的麻煩，就是很多的學(xué)生畢業(yè)以后去搞投資，搞金融了，當(dāng)然我自己的學(xué)生也有出去作投資的，去做官員的……這個(gè)情況還沒(méi)有緩解，所以我們?nèi)瞬艌F(tuán)隊(duì)的短缺是非?？膳碌??！盵魏少軍在中國(guó)中央電視臺(tái)財(cái)經(jīng)頻道《中國(guó)經(jīng)濟(jì)大講堂》欄目的主題演講，2019年5月1日，北京。]

機(jī)器不是原創(chuàng)的驅(qū)動(dòng)力，只是實(shí)現(xiàn)原創(chuàng)的工具，人才才是推動(dòng)科技進(jìn)步最根本的源泉。超級(jí)計(jì)算機(jī)研制專門(mén)人才的培養(yǎng)和積累難以在一朝一夕完成，不僅是目前，乃至今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)依然是行業(yè)性的難題，中國(guó)在這方面亟待改善。

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Introspection on the Development of Supercomputers in China

--Starting from the first supercomputer “YH-1”

SI Hongwei

Abstract： From the successful development of first supercomputer “YH-1” in 1983 to “TH-1”、“TH-2” and “Sunway-TaihuLight” having become the fastest supercomputers in the world， Chinese supercomputers development history of more than 40 years is brilliant. However， some developing problems have not been paid enough attention， and some research deficiencies still need discussion. This paper makes a tentative introspection on the independent innovation， software and hardware， application， energy consumption and personnel training of Chinese supercomputers. It has a certain significance and enlightenment for China to develop from big country to powerful country of supercomputing， especially in todays fierce competition in this field between China and the United States.

Keywords： Supercomputer， self-dependent innovation， YH-1

收稿日期：2020-12-14

作者簡(jiǎn)介：司宏偉，1982年生，內(nèi)蒙古呼和浩特人，理學(xué)博士，清華大學(xué)人文學(xué)院科學(xué)史系博士后。Email： howes@mail.tsinghua.edu.cn。