中國高性能計算應(yīng)用火不起來的四大原因 - 全文

　　今年3月份，阿爾法狗（AlphaGo）以4:1戰(zhàn)勝韓國名將李世石九段的情景，讓人們見識了人工智能背后超級計算的威力。剛剛過去的6月份，中國神威·太湖之光超級計算機以超過十億億次計算性能，榮登超級計算機性能世界排行榜榜首的消息，再度引發(fā)業(yè)界振奮。

　　據(jù)IDC統(tǒng)計，2015年全球高性能計算的預(yù)算投入增長了11%，2016年還將有更大的增長，中國也持續(xù)保持15%以上的增速。

　　但是，與持續(xù)增長的高性能計算基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相比，中國高性能計算應(yīng)用情況卻始終不容樂觀，由政府投資建設(shè)的超算中心屢屢陷入“切閘斷電、應(yīng)用率不高”的尷尬境地，除了石油勘探、天氣預(yù)報等少數(shù)機構(gòu)，其他產(chǎn)業(yè)企業(yè)投資建設(shè)高性能計算中心的寥寥無幾。

　　而美國高性能計算中心的客戶需求旺盛，經(jīng)常需要提前排隊預(yù)約；寶馬等大型制造企業(yè)也會投資建設(shè)。中國高性能計算應(yīng)用為啥火不起來？中國高性能計算的商業(yè)化應(yīng)用進程如何推進？

　　9月23日2016年高性能計算用戶大會現(xiàn)場圖

　　火不起來的四大原因

　　首先是核心芯片技術(shù)問題。高性能計算一般由大量處理器或計算機通過集群技術(shù)搭建而成。在核心芯片上是采用國產(chǎn)自主研發(fā)設(shè)計的芯片，還是引入國外具有成熟商業(yè)應(yīng)用的Intel芯片，一直是計算機產(chǎn)業(yè)包括高性能計算發(fā)展中頗有爭議的話題。早期歐美國家對高性能計算技術(shù)的輸出限制，以及我國缺乏自主知識產(chǎn)權(quán)的核心芯片技術(shù)，導(dǎo)致了我國高性能計算起步較晚。直到2005年左右，我國才自主研發(fā)出龍芯等芯片。

　　與美國高性能計算的發(fā)展歷程一樣，我國高性能計算最初發(fā)展也是由政府主導(dǎo)。從1990年起步至今，我國通過863計劃“國家高性能計算環(huán)境”等一系列項目的實施，已在全國建設(shè)10個左右的高性能計算中心，發(fā)展了浪潮、聯(lián)想、曙光等高性能計算機生產(chǎn)企業(yè)（以引入Intel等商業(yè)化芯片為主），并在政府、軍事、科研機構(gòu)、氣象預(yù)報、石油勘探等領(lǐng)域嘗試應(yīng)用。

　　其次，缺乏與國產(chǎn)高性能計算產(chǎn)業(yè)相配套的系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。在歐美國家的高性能計算產(chǎn)業(yè)，從高性能計算所需的核心處理器芯片到配套軟件，再到行業(yè)推廣應(yīng)用，已經(jīng)形成一個完整而龐大的產(chǎn)業(yè)鏈條，如Intel芯片周圍集合了微軟、SAP、oracle等龐大的軟件產(chǎn)業(yè)。而國內(nèi)由于系統(tǒng)開發(fā)工具的缺乏，以及看不到能從市場上獲得快速回報，大量軟件企業(yè)難以投入研發(fā)與國產(chǎn)高性能計算核心芯片相配套的應(yīng)用軟件，相關(guān)應(yīng)用軟件寥寥無幾，因此導(dǎo)致國產(chǎn)高性能計算難以推廣應(yīng)用。

　　國家863計劃高性能計算機及應(yīng)用服務(wù)環(huán)境重大項目總體專家組組長錢德沛教授，在9月23日2016年高性能計算用戶大會上接受采訪時也表示：“當(dāng)前高性能計算應(yīng)用面臨的最大的問題，是能不能盡快建立起中國高性能計算發(fā)展的完整生態(tài)環(huán)境?！北热?，今年榮登榜首的神威？太湖之光采用了國產(chǎn)處理器芯片，雖然國產(chǎn)處理器具有高能耗、高性能的特點，但面臨著應(yīng)用軟件缺乏、成熟商業(yè)軟件無法方便運行的尷尬。

　　其三，中國自身的科研技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)企業(yè)的科技應(yīng)用水平較低，也限制了高性能計算的應(yīng)用。高性能計算的主要應(yīng)用領(lǐng)域，是那些要求具有大規(guī)模計算能力的科研機構(gòu)和產(chǎn)業(yè)企業(yè)科研部門，只有當(dāng)企業(yè)的科研水平達到一定程度才會提出這樣的要求。而歷史原因?qū)е挛覈蒲袡C構(gòu)和產(chǎn)業(yè)企業(yè)的科研水平較低，一定程度上限制了高性能計算的應(yīng)用。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，歐美企業(yè)研發(fā)支出中科學(xué)研究的占比普遍超過20%，我國企業(yè)的研發(fā)支出中科學(xué)研究的支出占比僅為3%。

　　其四，人才缺乏也是我國高性能計算應(yīng)用面臨的一大挑戰(zhàn)。培養(yǎng)相關(guān)的人才，需要花費大量的時間、精力和投入。在歐美國家，一個超級計算人才的市場價是200萬元，這種薪酬水平是國內(nèi)很多高性能計算中心無法承受的。

　　商業(yè)化進程陸續(xù)啟動

　　隨著美國各行各業(yè)對于高性能計算的需求逐漸增多，美國汽車制造等行業(yè)也開始普及化引入高性能計算。據(jù)IDC副總裁Earl Joseph介紹，當(dāng)今美國高性能計算的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)從傳統(tǒng)的科學(xué)工程計算向更廣闊的深度學(xué)習(xí)、智慧城市、精準(zhǔn)醫(yī)療等領(lǐng)域推廣。

　　雖然中美高性能計算的應(yīng)用差距較大，但國內(nèi)高性能計算的商業(yè)化進程已啟動?？茖W(xué)研究、精準(zhǔn)醫(yī)療、智能制造等也是目前國內(nèi)高性能計算嘗試推進的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　2015年底，上海市兒童醫(yī)院正聯(lián)合浪潮和Intel試點一個精準(zhǔn)醫(yī)療項目，即在利用浪潮基因一體機G100開展多個兒童罕見病研究項目。據(jù)浪潮集團高性能計算總經(jīng)理劉軍介紹，項目已試點運行半年，預(yù)計一年后將正式推向市場。借助基因一體機G100，醫(yī)院可以在一天內(nèi)完成多個Panel樣本的基因測序以及檢測流程，而未使用前完成同樣工作量需要花費的時間為15天；醫(yī)生也能夠精確識別和診斷兒童罕見病。這些研究項目將讓成千上萬罹患罕見病的兒童從中獲益。 為了推進高性能計算應(yīng)用，浪潮發(fā)布了深度學(xué)習(xí)計算框架Caffe-MPI，并公布開源社區(qū)，號召更多開發(fā)者研究Caffe-MPI和定制化開發(fā)。

　　國家超級計算無錫中心也在高性能計算的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面做了有益探索。國家超級計算無錫中心由科技部、江蘇省、無錫市共同出資18億元于2015年12月建設(shè)完成。今年榮登榜首的神威。太湖之光超級計算機就落戶在國家超級計算無錫中心。這也是世界上第一臺全部采用國產(chǎn)處理器構(gòu)建的超級計算機。

　　據(jù)國家超級計算無錫中心主任、清華大學(xué)高性能計算研究所所長楊廣文教授介紹，該中心的超級計算應(yīng)用重點關(guān)注四個方面：全球氣候變化研究、先進制造、生命科學(xué)和大數(shù)據(jù)分析。特別是先進制造方面，無錫地處“蘇南制造”核心地區(qū)，基于蘇南制造的科研需求，該中心正打造基于神威太湖之光的產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新中心，希望把超級計算與先進制造相結(jié)合，提高我國制造業(yè)的科技水平。

　　目前，國家超級計算無錫中心超級計算的應(yīng)用范圍涉及天氣氣候、航空航天、海洋環(huán)境、生物醫(yī)藥、船舶工程等19個應(yīng)用領(lǐng)域，用戶單位達到上百家，具有六十余項大型應(yīng)用課題和成果，機器使用率達到75%以上，最高達90%以上。

　　由政府推動的高性能計算應(yīng)用項目也陸續(xù)啟動。據(jù)錢德沛教授介紹，2016年是十三五計劃的第一年，國家十三五重點科研專項高性能計算的第一批項目已經(jīng)正式啟動，第一批項目批準(zhǔn)了19個，2017年第二批指南也已經(jīng)公示，共18個項目，正在征求廣大科技人員的意見，其重點是支持高性能計算的應(yīng)用。