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李国杰院士:发展高性能计算需要思考的几个战略性问题

已有 802 次阅读 2021-1-27 15:36 |系统分类:科研笔记


高性能计算机是我国科学技术发展的标志性成果。明确发展战略对于推动计算机行业理性、健康的发展具有重要意义。我国发展高性能计算机需要正确处理世界排名和实际应用的关系,进一步贴近应用需求,发展多样化的高性能计算机。实现应用牵引和技术驱动有机结合,加快构建高性能计算的生态环境。


发展高性能计算机的目标


计算能力提升是信息科技发展的核心目标。1993 年,美国Jack Dongrra教授等发起的全球超级计算机TOP 500 排名,成为高性能计算机发展的风向标。世界上浮点运算速度最快的机器从 1988 年的 2 G FLOPS(每秒 10 亿次)增长到 2018 年 11 月的 143 P FLOPS(每秒 10 万亿次),提高了 760 亿倍。我国以“天河”“神威”“曙光”等为代表的超级计算机在排行榜中长期处于世界领先水平,11 次荣膺榜首,有力地增强了民族凝聚力和自豪感。除了作为国家综合科研能力的标志,高性能计算研究也是解决国家发展面临的挑战性问题和科技创新的重要手段。在追求计算能力提升的同时,要切实提升服务国防、经济发展和民生改善的能力,发挥科技引领的作用。


高性能计算机研发要服务产业发展


如果把高性能计算机理解为超级计算机的话,其在整个计算机产业中的占比并不大。超级计算机主要是采用几万个甚至百万个以上的处理器并行协同工作,用来解决常规计算机解决不了的挑战性问题。而在实际产业应用中,更多的需求是同时响应大量的任务请求,不仅仅要求算得快,而且更需要算得多。这类应用就需要用到高通量计算机。我国几大网络服务商需要的云计算和数据中心设备基本上是自行设计,并委托其他公司组装的。我国金融行业大量采购美国IBM 的主机系统,是因为它在可靠性和软件兼容性上有着巨大的技术优势。如果长期缺乏全国科技力量的协同攻关,我国网络服务企业将难以形成竞争优势。换言之,我国的计算机产业要从中低端向高端发展,不能只专注于超级计算机,还要发展满足其他服务应用需求的高端计算机。


发展多样化的高性能计算机


高性能计算机有两种基本类型:一是能力型,强调解决单一复杂问题的最高计算速度,尽量缩短求解时间;二是容量型,强调同时处理多个大型任务,每个任务只用到计算机的部分能力。全球TOP 500 超级计算机大多数属于能力型,主要服务于科学研究。科学研究对计算能力的需求是无止境的,E 级(每秒百亿亿次)计算机研制出来后,还会提出更高的计算需求。研制能力型超级计算机有助于突破现有计算机的技术瓶颈,起到引领计算机技术发展的作用。

近几年来,大数据分析和机器学习等人工智能应用已成为高性能计算机的主要运算内容。目前,智能应用在中国高性能计算机应用中的占比已提升到 56%以上,而科学计算的占比不足 10%。此外,由于功耗等因素的限制,发展通用超级计算机已遇到极大的困难,因此,发展领域专用超级计算机成为热门研究方向。

我国应重点发展什么类型的高性能计算机,需要综合考虑我国国防、经济、科研和民生的潜在需求才能进行科学研判。但有一点是肯定的,容量型超级计算机、智能计算机、领域专用超级计算机与能力型超级计算机一样重要,在研发过程中应统筹兼顾。


应用牵引和技术驱动有机结合


发展科技既要应用牵引,又要技术驱动。但在实际操作过程中,往往有所偏重。相比而言,美国发展超级计算机主要是应用牵引,先有挑战性的应用问题,为解决应用问题研制新型计算机;而我国更侧重于技术驱动,先研制世界领先的机器,再来寻求应用。我国发展超级计算机一定要强化国家战略导向,以及战略中的应用问题导向。在研制新的超级计算机之前,应用部门一定要明确亟须解决的问题,用可考核的应用性能指标来评价正在研制的计算机。

从技术角度看,研制E 级计算机和以后更高性能的超级计算机,必须在能耗、访存、通信、可靠性、应用性能等领域的关键技术上实现重大突破。国家在安排高性能计算方面的重大科研任务时,不能只重视工程建设,应更加重视颠覆性器件,如新型存储器件、超导器件、量子器件、光子器件等,以及几种器件的跨界协同设计和变革性系统结构的基础研究。要把降低功耗的技术突破放在最优先的位置。


加快发展高性能计算的生态环境


科研和产业生态环境是围绕目标形成的,从基础研究、技术突破、产品研发到应用推广的协作共同体,不是简单的链条,而是相互关联的社会网络。目前我国高性能计算生态环境最薄弱的环节是软件。我国大型科学计算的应用软件基本上都依靠进口。我国超算领域研究经费中用于应用软件开发的不足 10%,而美国相应的投入资金约为中国的 6 倍。振兴软件的关键是人才,而目前能培养高性能计算软件人才的大学很少,因此,建议扩大该领域的招生名额。


我国高性能计算生态环境的另一个薄弱环节是企业应用。美国公司超算系统的规模是中国公司的 10 倍以上。例如,汽车行业的通用、克莱斯勒等公司,每家都有 10 多个超算系统。英国石油公司也有世界上最大的工业用超级计算机。我国使用高性能计算机较多的是百度、阿里巴巴、腾讯等网络服务公司,而在制造业的应用规模较小。在构建高性能计算生态环境时,要重视发挥骨干企业的作用。高性能计算机研发的一次性成本投入大,只有通过企业的工业化设计,采用标准化组件等技术,才能使小规模的高性能计算机具有较高性价比。只有当企业普遍用上高性能计算机,才能更好地支撑其高质量发展。


本文摘编自《中国创新战略与政策研究2020》(潘教峰主编,科学出版社2020年10月出版)。微信封面图片来自Pixabay。


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内容简介


《中国创新战略与政策研究2020》为中国科学院和国务院研究室联合共建中国创新战略和政策研究中心的研究成果。这些研究聚焦党中央、国务院关注的重大科技问题,从全局和战略的高度把握世界科技发展态势,从科学技术影响和作用的视角研究国际国内经济社会发展中的问题,形成了一批科技前沿动态、科技决策参考和科技智库报告。本书所集结的文章中,既有科技创新战略与政策方面的研究与建议,也有对经济社会发展与变革的调研与思考,还有对全球科技创新进展、主要国家科技战略部署的扫描与分析。其中有些成果获得国家领导人重要批示,有些成果直接推动了相关政策制定,为国家创新战略和政策的宏观决策提供了科学依据和智力支撑。



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目录
contents
序言 在大变局中履行好国家高水平科技智库的使命责任(白春礼)
绪论
基于韧性视角的国家治理体系和治理能力现代化建设 3
坚持创新驱动引领中国经济高质量发展 13
第一篇 科技创新战略与政策
关于新一轮科技体制改革的 20条建议 21
关于政府科研机构改革的政策建议 25
促进我国新型研发机构发展的建议 30
基于代表性成果的科研机构绩效评价探索的经验及建议 34
关于加快培养高层次科普人才的建议 38
多位院士建议继续推进科技评价改革 42
第二篇 经济社会发展与变革
国有科研院所到现代科技企业的蝶变 49
完善科技创新税收政策体系的建议 54
应对食物供需关系变化亟待转变农业发展方式 59
关于建立适应金融科技发展的金融监管体系的建议 64
关于我国在金融科技国际标准制定中抢占实质性主导权的建议 69
政府-市场双元协作促进数字实体经济融合发展 75
发达国家发展数字经济的主要做法和启示 79
关于“互联网+养老”进程中加强数据安全保护的建议 84
“一带一路”沿线汇率风险分析与对策建议 89
中央法定数字货币发行对我国金融体系的影响及对策建议 93
关于构建我国数字经济监测评估体系的建议 97
加强规划建设布局发挥新基建稳投资作用 101
第三篇 科技研发布局与进展
我国人工智能发展问题及建议 109
关于我国深海科技创新战略蓝图与重点布局的建议 113
前瞻未来科技创新方向、实现时间、应用拐点应对新科技革命和产业变革 117
世界主要国家专利的技术结构图谱分析及对我国科技战略的启示 123
发展高性能计算需要思考的几个战略性问题 130
2018年基础前沿领域发展与启示 134
2018年农业科技发展与启示 140
2018年材料制造科技发展与启示 145
2018年环境科学发展与启示 150
2018年地球科学发展与启示 156
2018年能源科技发展与启示 161
2018年海洋科技发展与启示 167
2018年人口健康科技发展与启示 173
2018年生物科技发展与启示 179
2018年信息科技发展与启示 184
2018年空间科学发展与启示 190
我国在颠覆性创新领域存在的主要问题及针对性建议 195
第四篇 生态文明建设与发展
关于以西藏为主体打造有世界影响力的“第三极国家公园群”的建议 203
引领全球绿色价值链发挥中国绿色领导力 206
关于建立中国特色自然保护地治理体系的建议 210
关于筹建国家生态大数据平台的建议 215
关于构建以我国为主的“一带一路”低碳城市联盟的建议 221
中国如何在“后巴黎时代”全球气候治理中渐序有声 225
第五篇 全球基础研究重点领域动态
生命健康领域 231
信息科技领域 245
空间科技领域 255
农业科技领域 258
能源科技领域 263
地球科学领域 270
基础交叉前沿 273
材料制造领域 282
第六篇 全球重点研发企业创新动态
能源领域 291
材料领域 308
装备制造领域 322
电子信息领域 333
生物医药领域 347



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