文丨付金(郑州大学科技园发展规划部助理研究员)

理论科学、实验科学和计算科学是推动人类文明进步和科技发展的三大支柱。其中,计算科学是一个快速增长的多学科领域,随着大数据、物联网技术的快速发展,计算的作用也将会越来越重要。计算主要依靠电子计算机来完成,通过数值计算和图像显示,对工程问题、物理问题乃至自然界各类问题进行分析研究。计算模拟不仅大幅降低了实验成本,而且很多不能通过实验完成的研究也可以通过计算模拟完成。

计算机可以分为普通个人电脑、小型工作站和计算机集群。超级计算机,则是功能最强、运算速度最快、存储容量最大的一类计算机集群,它由数千甚至更多处理器组成,能计算普通计算机不能完成的大型复杂课题,被誉为“计算机中的珠穆朗玛峰”,是一个国家科技实力的重要标志,是国家发展的一个不可或缺的工具,是现代科技发展的重要支柱,是支撑国家安全、经济和社会发展的国之重器。

1983年12月22日,中国第一台每秒钟运算一亿次以上的“银河”巨型计算机研制成功,它填补了国内巨型计算机的空白,标志着中国成为继美国、日本后第三个能独立设计和制造巨型计算机的国家。随着银河-1号的投入使用,中国超级计算行业开始走上了一条赶超之路。目前,我国装备的超级计算机数量不断增长,超算技术处于全球领先行列。

在2018年5月28日的两院院士大会上,习近平总书记指出,“我们着力推进面向国家重大需求的战略高技术研究,超级计算机连续10次蝉联世界之冠,采用国产芯片的‘神威·太湖之光’获得高性能计算应用最高奖‘戈登·贝尔’奖”。

1、国家超算中心建设成为城市竞争热点  

根据2021年6月28日全球超级计算机评比组织top500.org公布的榜单数据显示,中国共有186台超级计算机入围全球500强,上榜数量连续第8次位居全球第一。从制造商维度看,中国厂商联想、曙光、浪潮是全球前三的超算供应商,总交付312台,占top500份额超过62%。

国家超级计算中心,是指由我国科技部批准建设的计算机构。因其投资巨大、战略地位重要,我国的超级计算中心主要是由政府出资建设,依托重点高校和科研院所运营。截至2020年,我国共有8个国家超级计算中心,分别是国家超级计算天津中心、广州中心、深圳中心、长沙中心、济南中心、无锡中心、郑州中心和昆山中心。

计算能力已经被视作新一代的生产力,是现代社会的重要战略资源,而承载了超级计算能力的超算中心作为重大科研基础设施,是实施大科学工程必不可少的大科学装置。超算中心所具有的公共性、动态性和开放性等特征,促使了超算中心成为一个资源汇聚、技术创新和互通交流的科创平台,推动了超算中心所在区域的科创水平发展和经济社会建设,超算中心的战略意义不断得到提升,超算中心的建设也成为了城市竞争的热点领域之一。

超算中心是实施创新驱动发展的“助推器”。

高性能计算已经成为解决国家发展面临的重大挑战性问题和科技创新的必备工具,比如能源短缺、环境污染、气候变化、军事科研、药物研制、传统产业转型升级等。高性能的超算中心是科研力量集中、科研任务集中、国家投资集中的重要平台,有着技术复杂、研制周期长、投资巨大的特点,往往数量有限,因此可以吸引和聚集需要高性能计算平台的高端应用,一旦有所产出,很多都是重大科技成果。

此外,超算中心瞄准的是前沿科技领域,不仅是为了满足当下的科技发展需要,也是在为未来产业发展做好充分的技术储备,这样的科研技术储备周期,可能会长达十年甚至二十年。当下的超级计算机更多地被应用在传统科学领域,而随着科学技术的不断发展,我们可以畅想,今后超级计算机的应用会逐渐向物联网、人工智能、智慧城市、新能源、新材料等领域拓展,未来新型技术的突破和发展必然会依托于以超算中心为代表的大科学装置。

超算中心是打造区域科创高地的“聚宝盆”。

超算中心的核心业务规划是面向教育、科研、企业以及政府等提供随需应变的计算资源、存储资源和软件资源,高校、企业和科研团队也越来越认识到大科学装置在承载高端科技应用上发挥的作用以及对于前沿科学研究的重要性。大科学装置是学科交叉、各类人才联合攻关的高端智力资源的集合。

当前,计算科学领域高度依赖于高性能计算与大数据、深度学习之间的深度融合。近年来,人工智能的突破正是建立在超算能力突飞猛进的发展和深度学习算法的成功结合。高性能的超算中心建设凭借自身的科技含量,逐渐发挥了其吸引和聚集高水平科创人才和高质量科创项目的“聚宝盆”作用,必将提升超算中心所在区域的科研水平,进而提升其所在城市的整体科技实力。超算中心成为了吸引人才、增强企业核心竞争力的硬件条件,推动了城市地方经济建设和地方发展。

2、超级计算中心的转型逻辑与策略   

一直以来,我国在超级计算中心的建设思路上,是采取超算系统性能优先发展,再拉动超算应用发展的策略。在近年来的全球超算top500排行榜上,不乏“神威”、“天河”、“曙光”等我国超级计算机的身影,这说明我国超级计算机的研制水平和性能,已从长期跟跑发展到并跑乃至部分技术领跑的阶段。从超算的数量和技术含量上看,我国已经成为超算大国,然而我国的超算应用水平与超算大国的地位还存在距离,并不相称。

在2020年6月举行的中国计算机学会青年计算机科技论坛济南it技术论坛上,多位超算领域的专家指出,“软件发展滞后、自研应用少、应用场景不完善”等正成为我国超算中心商业化亟待补齐的短板,最集中的体现就是“重硬件轻软件”和“重建设轻运维”,这就导致我国的超算发展会优先注重发展超算能力,初期超算系统的应用效率偏低,需要过渡期缓冲后应用效率才会有所提升。

据中科院计算所研究员张云泉介绍,欧美日等国家一般根据各领域实际应用需求,针对性地研制能满足实际应用需求的超算系统,而我国的应用与软件研发存在脱节现象,一个典型的例子是日常运行的超算作业,其并行规模仍停留在千核级别以下,不能充分发挥亿亿次超级计算机的并行能力,尤其是在超算应用较多的制造业和基础科研领域,大部分的商业应用软件都来自国外。

国家超级计算济南中心副研究员郭猛曾指出,“超算是面向上游技术的练兵场,面向下游产业的实验床”。

在我们看来,超算中心的未来发展,需要有一个好的商业模式最大化实现超算产业链各环节的价值,形成一个可持续发展的超算生态才能让超算产业链各环节都能健康发展。

习近平总书记反复强调“核心技术买不来,必须切实提高我国关键核心技术的创新能力”,这既是对我国科技事业发展的重大判断,也是对科技工作者的殷切期盼。超级计算中心应该充分理解市场的需求,结合科研项目和企业的迫切需要进行技术研发布局,坚持自主创新,对自身的高端技术进行技术下移,肩负起超算行业市场推广和产业辐射的重任。

在新的超算产业发展历史时期,我们应该鼓励超算中心根据区域产业和合作单位的优势领域,把现有的超算中心建设成为各具特色的、聚焦于不同学科领域的合作交流平台、人才培养平台和应用开发平台,形成科技创新带动的产业化集群中心,更多地服务于区域产业结构升级,带动区域经济转型升级和社会民生服务。

以国家超级计算郑州中心为例,其定位是“引领新经济快速发展的‘高速引擎’、服务黄河流域生态保护和高质量发展国家战略的‘超级大脑’”。公开的信息显示,国家超级计算郑州中心联合郑州大学、郑州机械所、郑煤机等机构和企业,结合河南地区优势和特色,将超算应用聚焦在黄河流域生态保护、制造业转型升级和现代农业发展等领域,力争建立具备河南特色的超算应用生态系统。

在我们看来,超算中心的发展必须以人为本,国家应鼓励高校和企业合作,积极拓展学术界和产业界人才培养的模式,加强国内外人才交流合作,加大对科技体制的改革,加大对科研人员的激励。只有大力简除烦苛,才能解决人才集聚问题,既要让人才能够自由流动,又要确保人才无差异地享受创新创造的科研生态和物质保障,广大科研人才才能潜心投身于大科学装置建设。另外,对于科研人员来说,大科学装置固然重要,但人是有社会属性的,大科学装置所在地要完善交通、教育、医疗等配套设施,提升城市的配套服务能力,满足科研人才的社会需求。

当前,我国正走在从“超算大国”到“超算强国”转变的道路上,不仅要在硬件上攻艰克难,更要在算法和应用软件上寻求新的突破,迈上新台阶。超算正处于“黄金时代”,积极探索,大胆尝试,坚持脚踏实地与志存高远相结合,既着眼当前经济发展中的瓶颈制约,又放眼未来超前部署重点科技攻坚领域,这对我国超级计算行业今后的进一步发展是尤为关键的。

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