李國傑院士：發展高性能計算需要思考的幾個戰略性問題
高性能計算機是我國科學技術發展的標誌性成果。明確發展戰略對於推動計算機行業理性、健康的發展具有重要意義。我國發展高性能計算機需要正確處理世界排名和實際應用的關係，進一步貼近應用需求，發展多樣化的高性能計算機。實現應用牽引和技術驅動有機結合，加快構建高性能計算的生態環境。
發展高性能計算機的目標
計算能力提升是信息科技發展的核心目標。1993 年，美國Jack Dongrra教授等發起的全球超級計算機TOP 500 排名，成爲高性能計算機發展的風向標。世界上浮點運算速度最快的機器從 1988 年的 2 G FLOPS（每秒 10 億次）增長到 2018 年 11 月的 143 P FLOPS（每秒 10 萬億次），提高了 760 億倍。我國以“天河”“神威”“曙光”等爲代表的超級計算機在排行榜中長期處於世界領先水平，11 次榮膺榜首，有力地增強了民族凝聚力和自豪感。除了作爲國家綜合科研能力的標誌，高性能計算研究也是解決國家發展面臨的挑戰性問題和科技創新的重要手段。在追求計算能力提升的同時，要切實提升服務國防、經濟發展和民生改善的能力，發揮科技引領的作用。
高性能計算機研發要服務產業發展
如果把高性能計算機理解爲超級計算機的話，其在整個計算機產業中的佔比並不大。超級計算機主要是採用幾萬個甚至百萬個以上的處理器並行協同工作，用來解決常規計算機解決不了的挑戰性問題。而在實際產業應用中，更多的需求是同時響應大量的任務請求，不僅僅要求算得快，而且更需要算得多。這類應用就需要用到高通量計算機。我國幾大網絡服務商需要的雲計算和數據中心設備基本上是自行設計，並委託其他公司組裝的。我國金融行業大量採購美國IBM 的主機系統，是因爲它在可靠性和軟件兼容性上有着巨大的技術優勢。如果長期缺乏全國科技力量的協同攻關，我國網絡服務企業將難以形成競爭優勢。換言之，我國的計算機產業要從中低端向高端發展，不能只專注於超級計算機，還要發展滿足其他服務應用需求的高端計算機。
發展多樣化的高性能計算機
高性能計算機有兩種基本類型：一是能力型，強調解決單一複雜問題的最高計算速度，儘量縮短求解時間；二是容量型，強調同時處理多個大型任務，每個任務只用到計算機的部分能力。全球TOP 500 超級計算機大多數屬於能力型，主要服務於科學研究。科學研究對計算能力的需求是無止境的，E 級（每秒百億億次）計算機研製出來後，還會提出更高的計算需求。研製能力型超級計算機有助於突破現有計算機的技術瓶頸，起到引領計算機技術發展的作用。
近幾年來，大數據分析和機器學習等人工智能應用已成爲高性能計算機的主要運算內容。目前，智能應用在中國高性能計算機應用中的佔比已提升到 56%以上，而科學計算的佔比不足 10%。此外，由於功耗等因素的限制，發展通用超級計算機已遇到極大的困難，因此，發展領域專用超級計算機成爲熱門研究方向。
我國應重點發展什麼類型的高性能計算機，需要綜合考慮我國國防、經濟、科研和民生的潛在需求才能進行科學研判。但有一點是肯定的，容量型超級計算機、智能計算機、領域專用超級計算機與能力型超級計算機一樣重要，在研發過程中應統籌兼顧。
應用牽引和技術驅動有機結合
發展科技既要應用牽引，又要技術驅動。但在實際操作過程中，往往有所偏重。相比而言，美國發展超級計算機主要是應用牽引，先有挑戰性的應用問題，爲解決應用問題研製新型計算機；而我國更側重於技術驅動，先研製世界領先的機器，再來尋求應用。我國發展超級計算機一定要強化國家戰略導向，以及戰略中的應用問題導向。在研製新的超級計算機之前，應用部門一定要明確亟須解決的問題，用可考覈的應用性能指標來評價正在研製的計算機。
從技術角度看，研製E 級計算機和以後更高性能的超級計算機，必須在能耗、訪存、通信、可靠性、應用性能等領域的關鍵技術上實現重大突破。國家在安排高性能計算方面的重大科研任務時，不能只重視工程建設，應更加重視顛覆性器件，如新型存儲器件、超導器件、量子器件、光子器件等，以及幾種器件的跨界協同設計和變革性系統結構的基礎研究。要把降低功耗的技術突破放在最優先的位置。
加快發展高性能計算的生態環境
科研和產業生態環境是圍繞目標形成的，從基礎研究、技術突破、產品研發到應用推廣的協作共同體，不是簡單的鏈條，而是相互關聯的社會網絡。目前我國高性能計算生態環境最薄弱的環節是軟件。我國大型科學計算的應用軟件基本上都依靠進口。我國超算領域研究經費中用於應用軟件開發的不足 10%，而美國相應的投入資金約爲中國的 6 倍。振興軟件的關鍵是人才，而目前能培養高性能計算軟件人才的大學很少，因此，建議擴大該領域的招生名額。
我國高性能計算生態環境的另一個薄弱環節是企業應用。美國公司超算系統的規模是中國公司的 10 倍以上。例如，汽車行業的通用、克萊斯勒等公司，每家都有 10 多個超算系統。英國石油公司也有世界上最大的工業用超級計算機。我國使用高性能計算機較多的是百度、阿里巴巴、騰訊等網絡服務公司，而在製造業的應用規模較小。在構建高性能計算生態環境時，要重視發揮骨幹企業的作用。高性能計算機研發的一次性成本投入大，只有通過企業的工業化設計，採用標準化組件等技術，才能使小規模的高性能計算機具有較高性價比。只有當企業普遍用上高性能計算機，才能更好地支撐其高質量發展。
本文摘編自《中國創新戰略與政策研究2020》（潘教峰主編，科學出版社2020年10月出版）。微信封面圖片來自Pixabay。
內容簡介
《中國創新戰略與政策研究2020》爲中國科學院和國務院研究室聯合共建中國創新戰略和政策研究中心的研究成果。這些研究聚焦黨中央、國務院關注的重大科技問題，從全局和戰略的高度把握世界科技發展態勢，從科學技術影響和作用的視角研究國際國內經濟社會發展中的問題，形成了一批科技前沿動態、科技決策參考和科技智庫報告。本書所集結的文章中，既有科技創新戰略與政策方面的研究與建議，也有對經濟社會發展與變革的調研與思考，還有對全球科技創新進展、主要國家科技戰略部署的掃描與分析。其中有些成果獲得國家領導人重要批示，有些成果直接推動了相關政策制定，爲國家創新戰略和政策的宏觀決策提供了科學依據和智力支撐。
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目錄contents序言 在大變局中履行好國家高水平科技智庫的使命責任（白春禮）緒論基於韌性視角的國家治理體系和治理能力現代化建設 3堅持創新驅動引領中國經濟高質量發展 13第一篇 科技創新戰略與政策關於新一輪科技體制改革的 20條建議 21關於政府科研機構改革的政策建議 25促進我國新型研發機構發展的建議 30基於代表性成果的科研機構績效評價探索的經驗及建議 34關於加快培養高層次科普人才的建議 38多位院士建議繼續推進科技評價改革 42第二篇 經濟社會發展與變革國有科研院所到現代科技企業的蝶變 49完善科技創新稅收政策體系的建議 54應對食物供需關係變化亟待轉變農業發展方式 59關於建立適應金融科技發展的金融監管體系的建議 64關於我國在金融科技國際標準制定中搶佔實質性主導權的建議 69政府-市場雙元協作促進數字實體經濟融合發展 75發達國家發展數字經濟的主要做法和啓示 79關於“互聯網+養老”進程中加強數據安全保護的建議 84“一帶一路”沿線匯率風險分析與對策建議 89中央法定數字貨幣發行對我國金融體系的影響及對策建議 93關於構建我國數字經濟監測評估體系的建議 97加強規劃建設佈局發揮新基建穩投資作用 101第三篇 科技研發佈局與進展我國人工智能發展問題及建議 109關於我國深海科技創新戰略藍圖與重點佈局的建議 113前瞻未來科技創新方向、實現時間、應用拐點應對新科技革命和產業變革 117世界主要國家專利的技術結構圖譜分析及對我國科技戰略的啓示 123發展高性能計算需要思考的幾個戰略性問題 1302018年基礎前沿領域發展與啓示 1342018年農業科技發展與啓示 1402018年材料製造科技發展與啓示 1452018年環境科學發展與啓示 1502018年地球科學發展與啓示 1562018年能源科技發展與啓示 1612018年海洋科技發展與啓示 1672018年人口健康科技發展與啓示 1732018年生物科技發展與啓示 1792018年信息科技發展與啓示 1842018年空間科學發展與啓示 190我國在顛覆性創新領域存在的主要問題及針對性建議 195第四篇 生態文明建設與發展關於以西藏爲主體打造有世界影響力的“第三極國家公園羣”的建議 203引領全球綠色價值鏈發揮中國綠色領導力 206關於建立中國特色自然保護地治理體系的建議 210關於籌建國家生態大數據平臺的建議 215關於構建以我國爲主的“一帶一路”低碳城市聯盟的建議 221中國如何在“後巴黎時代”全球氣候治理中漸序有聲 225第五篇 全球基礎研究重點領域動態生命健康領域 231信息科技領域 245空間科技領域 255農業科技領域 258能源科技領域 263地球科學領域 270基礎交叉前沿 273材料製造領域 282第六篇 全球重點研發企業創新動態能源領域 291材料領域 308裝備製造領域 322電子信息領域 333生物醫藥領域 347
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