P8國內(nèi)外超級計算中心發(fā)展模式研究及借鑒VIP

國內(nèi)外超級計算中心發(fā)展模式的研究和建議馮桂安 上海投資咨詢公司林新華 上海交通大學概要：通過對美國、日本、歐盟超級計算中心發(fā)展模式的總結，梳理了我國超級計算中心建設情況和運營模式，在總結我國超級計算中心所取得的成效同時，針對其在成果應用、人才集聚以及經(jīng)濟促進等方面存在的發(fā)展瓶頸原因進行分析，對我國超算中心建設發(fā)展在管理機制和政策保障等方面提出建議，為我國超算中心建設和發(fā)展提供借鑒。關鍵詞：高性能計算 超算中心 發(fā)展模式高性能計算在科學研究和產(chǎn)業(yè)領域具有廣泛的應用和重要地位。高性能計算機（又稱“超級計算機”）是為解決挑戰(zhàn)性問題提供超強計算能力，性能最高、容量最大、功能最強的計算機系統(tǒng)。發(fā)展高性能計算不但可以帶動計算技術本身向更高水平邁進，更重要的是可以促進經(jīng)濟發(fā)展、科技創(chuàng)新、國家安全等方面一系列問題的解決。高性能計算發(fā)展水平是衡量一個國家科技實力的重要標志，是國家科技創(chuàng)新體系的重要組成部分。超級計算中心已成為世界各國（特別是發(fā)達國家）競相爭奪的戰(zhàn)略制高點。一、國內(nèi)外主要超級計算中心基本情況美國美國是高性能計算領域的霸主，其超算中心布局基本上可分為三大體系：美國能源部（DOE）下屬六大國家實驗室；美國國家科學基金會（NSF）支持的依托于高校的超算中心；圍繞航空航天領域的超算中心，如美國國家航空航天局（NASA）下屬Ames研究中心等。1美國能源部（DOE）美國能源部共有28個下屬實驗室，其中11個為國家實驗室，擁有世界級超級計算機的主要有6個。其超級計算機體系結構的構思、設計、建造以及運維等方面在世界上無出其右。表1 美國能源部體系序號依托機構數(shù)量超級計算機( 排名)研究領域1勞倫斯利弗莫爾國家實驗室Lawrence Livermore National Laboratory5Sequoia(2)Zin(29)Dawn(52)Cab(63)Vulcan(65)核武器、核安全、天文、能源、人類基因組、氣候變化2阿貢國家實驗室Argonne National Laboratory2Mira(4)Intrepid(47)氣候研究、發(fā)動機、宇宙、電池3橡樹嶺國家實驗室Oak Ridge National Laboratory4Titan(1)Jaguar(6)Gaea C2(40)GaeaC1(85)新能源、氣候變化、蛋白質、超新星，核聚變，光合作用4洛斯阿拉莫斯國家實驗室Los Alamos NationalLaboratory3Cielo(18)Roadrunner(22)Luna(64)武器研發(fā)、物理、核安全5勞倫斯伯克利國家實驗室Lawrence Berkeley National Lab1Hopper(19)能源、健康、環(huán)境6桑迪亞國家實驗室Sandia National Laboratories5Red Sky(49)Pecos(70)Chama(71)Dark Bridge(92)Dark Sand(93)核武器、核安全、新材料、國家安全2美國國家科學基金會（NSF）美國國家科學基金會（NSF）正在推行一項5年12億美元名叫XSEDE1項目，通過與美國16家高校及研究機構的合作，為世界各地的科學家提供免費的、最高性能的超級計算資源。表2 美國國家科學基金會體系序號依托單位數(shù)量超級計算機（排名）備注1國家超算中心National Center for Supercomputer Applications/伊利諾伊大學1Bluewater未參與TOP500排名；XSEDE項目領導者2圣地亞哥超算中心San Diego Supercomputer Center/加州大學圣地亞哥分校1Gordon(88)大量使用SSD3德州先進計算中心Texas Advanced Computing Center/德州大學奧斯丁分校3Stampede(7)Ranger(50)Lonestar 4(96)Stampede大量使用了Intel MIC4計算科學國家研究所National Institute for Computational Sciences/田納西大學1Kraken XT5(25)2012年 Green 500 第一名3、航空航天以美國國家航空航天局（NASA）為代表等的國家機構、企業(yè)和大學等研發(fā)機構也都在開展為數(shù)不少的超級計算項目，代表有NASA Ames研究中心和美國空軍研究實驗室。表3 美國航空航天體系1美國國家航空航天局NASA Ames Research Center2Pleiades(14)Discover(53)天文、航天、天體物理學、氣候變化2美國空軍研究實驗室Air Force Research Laboratory1Raptor(34)軍事日本日本是高性能計算強國。從上世紀80年代中期開始，日本研發(fā)的超級計算機在性能方面就屢次超越美國。日本在超級計算機研發(fā)和使用方面，有兩股學術勢力在競爭，一是以本土化研發(fā)主機為載體，另一是采用國際通用型CPU組建主機。兩股力量彼此競爭，促使日本成為繼美國之后在超級計算機研制方面水平最高的國家。日本沒有大型的公共高性能計算平臺，超算中心主要依托于專業(yè)研究機構和高校。目前，日本的文部科學省（MEXT）正準備啟動一項面向2020年部署的E級超級計算機的計劃2。表4 日本超級計算機分布情況序號依托單位自研主機通用性主機1日本理化學研究所RIKEN Advanced Institute for Computational Science (AICS)K Computer（3）2國際聚變能研究中心(IFERC)International Fusion Energy Research Centre Helios（15）3東京工業(yè)大學GSIC，Tokyo Institute of TechnologyTSUBAME 2.0（17）4東京大學Information Technology Center, The University of TokyoOakleaf-FX（21）5高能加速研究機構High Energy Accelerator Research Organization /KEKSAKURA（41）HIMAWARI(42)6九州大學Research Institute for Information Technology, Kyushu UniversityFUJITSU(45)7筑波大學Center for Computational Sciences, University of TsukubaHA-PACS（51）歐盟歐盟在高性能計算軟件和應用上都很有特色。PRACE 3、DEISA4等高性能計算研究計劃是面向領導層的高性能計算戰(zhàn)略，為歐盟高性能計算行業(yè)發(fā)展奠定了堅實的基礎。歐盟承諾投入40億歐元推進的PRACE項目，致力于提供世界級的計算資源和數(shù)據(jù)管理服務，并為提高計算系統(tǒng)能效和減少環(huán)境影響作出努力。表5 歐盟主要超算中心分布情況序號依托單位數(shù)量超級計算機（排名）備注1德國萊布尼茲超算中心（LRZ）Leibniz Rechenzentrum1SuperMUC(6)PRACE成員DEISA成員2德國尤里希研究中心(FZJ)ForschungszentrumJuelich 2JuQUEEN(5)JUROPA(89)DEISA成員3德國斯圖加特大學HWW/Universitaet Stuttgart1HERMIT(27)DEISA成員4CEA/TGCC-GENCI, 法國2Curie thin nodes(11)IBM(29)PRACE成員5法國原子能委員會(CEA)Commissariat a lEnergieAtomique 1Tera-100(17)6英國Daresbury國家實驗室Science and Technology Facilities Council - Daresbury Laboratory1Blue Joule(16)7英國愛丁堡大學University of Edinburgh2DiRAC(23)HECToR(35)8CINECA, 意大利1Fermi(9)PRACE成員DEISA成員9巴塞羅那超算中心Barcelona Supercomputing Center1MareNostrum(36)PRACE成員DEISA成員中國我國關于高性能計算發(fā)展戰(zhàn)略主要由國家科技部主導，納入國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃），以5年為周期，通過部?。ㄊ校┖献饔媱濋_展主機研制工作5。目前我國公開擁有P級以上計算能力的超算中心有5家單位，分別是國家超級計算天津中心、國家超級計算深圳中心、國家超級計算濟南中心和國家超級計算長沙中心和中國科學院過程所。作為第一輪863高性能計算機研制計劃的布局，中國科學院超算中心（北京）和上海超算中心分別擁有150T和200T的高性能計算機。目前國防科大正與廣州市聯(lián)合開展第三輪863計劃下高性能計算機的研制工作，預計首期新超級計算機的計算能力可達40P。表6 國內(nèi)主要超算中心情況序號單位主機規(guī)模配用電量主要應用領域備注1國家超級計算天津中心4.7PF(8)，天河6MW，主機4.3MW石油勘探、高端裝備研制、生物醫(yī)藥、新能源、新材料、氣象預報、動漫設計等科學研究和工程計算面世時“天河1A”排名全球第一2國家超級計算深圳中心（深圳云計算中心）1.2PF(12) ,曙光配電26MW，主機3.6MW高性能計算：天文，海洋，核電、工程等香港、澳門、廣東用戶；云計算：鵬云系統(tǒng)，市民，政府，中小企業(yè)電信運行商合作、100G帶寬；4.3萬平米總建筑3國家超級計算濟南中心1PF(28)，神威藍光100TF,浪潮神威藍光1MW，其它1MW海洋環(huán)流、天氣預報，生物醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)生態(tài)、金融計算等神威藍光全自主，水冷，低功耗4國家超級計算長沙中心1PF（30），天河主機2MW， 公共服務中心，云計算中心，災備中心；1/4的資源用于輿情監(jiān)測湖南省、國防科大、湖大共建 5上海超算中心200TF，曙光主機1.3MW公共服務平臺在國內(nèi)開展服務時間最長、范圍最廣6中科院網(wǎng)絡中心超算（北京）150TF，聯(lián)想主機0.8MW面向中科院體系，服務科學研究各領域中科院內(nèi)部研究所計算資源體系建設二、國內(nèi)外超級計算中心發(fā)展特點超算中心將有助于吸引更多的優(yōu)秀科學家、工程師、研究人員集聚到超算中心開展工作，隨之帶來的好處包括通過研發(fā)更有競爭力的產(chǎn)品以及服務從而促進經(jīng)濟的發(fā)展，同時，加強本國的安全和國防力量6。雖然世界各國對超算中心所帶來的成效都有普遍的認同，但由于發(fā)展條件的差異，國際超算中心與我國超算中心在建立和發(fā)展上呈現(xiàn)出不同的特點。 國際超算中心發(fā)展特點 目前國際上典型的超算中心發(fā)展模式有兩種：股份制和政府直屬，由相應的國家研究機構自主管理。雖然運營管理模式不同，但建設和運營資金基本來源于政府。美國和歐盟的超級計算中心分別為這兩種模式的代表。表7 美國超級計算中心運營模式建設資金來源 運營資金來源 隸屬關系 運營管理模式 典型計算中心 聯(lián)邦政府 州政府 聯(lián)邦政府 州政府 依托單位 隸屬于國家重點實驗室 依托于大學的研究機構 中心自主管理 勞倫斯利弗莫爾（LLNL） 伊利諾斯（NCSA） 表8 歐洲超級計算中心運營模式建設資金來源 運營資金來源 運營管理模式 典型計算中心 歐盟 中央政府 地方州政府 歐盟項目 中央政府部委 地方州政府 依托單位 企業(yè) 股份制 董事會負責決策 執(zhí)行委員會負責運營管理 芬蘭（CSC） 巴塞羅那（BSC） 斯圖加特（HWW） 通過總結國際先進的超算中心建設和運營管理經(jīng)驗，可以看到，國際超級計算中心發(fā)展呈現(xiàn)以下特點可供我們借鑒：1、發(fā)展高性能計算技術是國家戰(zhàn)略，但應用高性能計算由超算中心依托單位所決定。從美、日、歐的經(jīng)驗來看，幾乎沒有僅提供公共服務性質的高性能計算創(chuàng)新平臺，超級計算中心往往依托于重要的國家研究實驗室或是專業(yè)的研究所。2、科學研究人員是支撐高性能計算中心的主體，設施運維人員規(guī)模不斷縮小。由于國際高性能計算中心依托國家實驗室或研究所，在超算中心人員的結構上多以研究人員為主。超算中心人員結構上，對硬件的維護比例較小，而在逐步增加依托高性能計算的專業(yè)領域研究人員。3、國際超算中心承擔的應用目標決定其硬件資源的配置規(guī)模。由于計算機部件升級換代的頻率較高，為解決高性能計算資源的需求與應用水平的差異，國際上的高性能計算中心往往采用2-3年短周期內(nèi)就對現(xiàn)有計算資源進行逐步更新。我國超算中心發(fā)展的成效和瓶頸通過國家科技部“863”支撐計劃中關于超級計算機研制規(guī)劃，依托主機研制廠商和開展部?。ㄊ校┖献鲄f(xié)議，我國在超級計算中心建設方面已建立了相對固定的模式，可以分為三個角度：政治意愿、資金保障、技術支撐。政治意愿：我國通過部?。ㄊ校┖献鲄f(xié)議確立超級計算中心的建設計劃。國家科技部代表國家科技戰(zhàn)略對主機性能設定目標，實現(xiàn)國際科技競爭的目標。地方政府希望超算中心能成為區(qū)域科技發(fā)展的功能載體，為其集聚人才、創(chuàng)新科技并為經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生推動力。資金保障：國家科技部通過“863”專項資金配套主機研發(fā)廠商進行主機研發(fā)投入，地方政府除參與主機研制之外，承擔超算中心后續(xù)運營維護資金保障。技術支撐：國防科大、曙光集團、江南計算所以及浪潮集團等，已不同程度得掌握了國際領先的超級計算機的研發(fā)和集成技術，保證了我國在國際超級計算機性能競賽中持續(xù)領先。通過多年的滾動發(fā)展，超算中心已成為我國科技創(chuàng)新的重要功能載體，有力帶動了一批重大科研項目和工程項目的推進，成為我國面向國際開展科技和信息技術領域重要的基礎設施及交流平臺。1、超算中心成為我國科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)振興重要的基礎設施和合作交流平臺。長期以來，主要發(fā)達國家對我國高性能計算行業(yè)進行種種技術交流限制。超算中心的成立，并創(chuàng)立了高性能計算公共性服務平臺，將高性能計算從原來極為隱蔽的領域逐步向公眾開放，有力支撐了一大批重大科技項目的研究和工業(yè)項目的研究，為我國開展科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)提升提供了重大的推進力。2、我國通過超算中心開展公共的計算資源服務模式，帶動了我國高性能計算用戶應用水平的逐步提升。以上海超算中心為例，通過10年的管理和運營，平臺已有原來30余個用戶發(fā)展到300多個，促進了高性能計算在各個領域應用需求的提升。3、超算中心在我國的普及發(fā)展積累培養(yǎng)了一支專業(yè)化的高性能計算研發(fā)團隊。超級計算機由于其計算資源的領先性，往往在架構設計、核心部件、配套設施等方面擁有專業(yè)的需求。目前國防科大、曙光集團、江南計算所、浪潮集團等多家單位已具備了研制世界領先的超級計算機的研發(fā)實力和集成能力。4、我國超算中心長期以來堅持公共性服務平臺的屬性，在客觀上減少了科研機構、研究院所和企業(yè)自主建設計算中心所造成的資源重復投入，發(fā)揮了公共服務平臺集約化的建設效果。與此同時，也應當看到目前我國超算中心在建立方面已形成模式，但在可持續(xù)發(fā)展方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)：1、高性能計算應用缺少國家研究戰(zhàn)略的導向性，國家級的計算資源規(guī)劃與地方級的政府自我管理存在脫節(jié)。天津、深圳、濟南、長沙等新興的國家超算中心均以上海超算中心的運營模式作為藍本，以地方政府投資建設加財政補貼運營的模式進行建設運營，但應用規(guī)模與地方科研需求并不完全相符。我國的基礎科研投入和水平?jīng)Q定了對超算中心的投入必須是一項長期過程，由于工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)技術水平和工業(yè)化設計水平達到一定程度后，才會產(chǎn)生對高性能計算資源的大量需求，而我國工業(yè)化水平難以在近期帶動高性能計算的大規(guī)模需求。2、圍繞超級計算機為核心的獨立核算體系造成計算資源與應用研究相互脫節(jié)?？蒲腥藛T長期以來以外部人員的身份參與超算中心的運作，導致和主機服務人員合作黏性不足，難以帶動高性能計算人才集聚和團隊的培養(yǎng)。公共性的服務平臺固然存在資源集聚共享的優(yōu)勢，但較難提供優(yōu)秀的高性能計算人才的成長環(huán)境。缺乏應用的導向所配置的超算中心，無法承擔起培養(yǎng)具有核心競爭力的高性能計算人才的重任。3、超算中心對維護計算資源可用性的重視度高于計算資源的實用性，計算資源的使用與回報考量不足。為了鼓勵用戶依托公共服務平臺創(chuàng)新，現(xiàn)有超算中心在服務一方面做優(yōu)服務，另一方面采用遠低于市場價格進行服務，以實現(xiàn)超級計算機使用率的提升，但對實際重大問題的研究推進成效重視度不足。推進我國超算中心發(fā)展的建議從國際超級計算中心發(fā)展趨勢來看，超級計算資源作為一種稀缺性資源，是重要的國家戰(zhàn)略資源，體現(xiàn)的是國家對基礎科學和新興產(chǎn)業(yè)的自主創(chuàng)新支持，需要得到政府財政性資金的長期支持。為進一步促進我國超算中心的可持續(xù)發(fā)展，建議從國家戰(zhàn)略和地方政府的角度，進一步完善超算中心發(fā)展的基礎環(huán)境：1、 要對超算中心所承擔的高性能計算服務與地方政府的任務進行有序引導，讓優(yōu)質的計算資源向重大科學挑戰(zhàn)問題、向重大工程問題的求解進行集聚，實現(xiàn)高性能計算設計與使用的協(xié)調(diào)發(fā)展。2、 培養(yǎng)高性能計算領域的領軍人物，加強超算中心與高校聯(lián)手，實現(xiàn)超算中心與本地高性能計算人才的培養(yǎng)和輸送，促進高性能計算人才在超算中心的集聚。3、在布局承擔國家或地方重大科學研究方向的同時，需要繼續(xù)維持一定規(guī)模的公共計算資源服務功能，加強對超級計算中心研究任務的篩選，提高高性能計算的實用度。同時，建議從以下方面加強政策的組織和協(xié)調(diào)。1、國家戰(zhàn)略方面（1）相較開展超級計算機的性能競爭之外，開展全國性的高性能計算應用規(guī)劃布局的需求更為緊迫。應從國家戰(zhàn)略層面，對高性能計算服務于地方的任務進行有序引導，讓優(yōu)質資源向重大科學挑戰(zhàn)問題、向重大工程問題進行集聚。（2）對高性能計算發(fā)展國家戰(zhàn)略開展多部門協(xié)同，從科技研發(fā)、產(chǎn)業(yè)布局、應用示范等方面，促進高性能計算的普及發(fā)展，維持一定規(guī)模的公共計算資源服務功能，降低超級計算機的使用門檻，普及高性能計算知識，推進高性能計算的深入應用。（3）應建立國家層面與地方政府聯(lián)合對高性能計算長期投入的機制，統(tǒng)籌建設資金和運營資金，繼續(xù)并從科研經(jīng)費管理體制的角度入手，進一步提高地方在高性能計算領域的財政性資金利用效率。2、地方政府支持方面建議地方政府在開展超級計算中心建設的同時，進一步加強對超算中心后期運行發(fā)展的相關政策的制度保障，促進超級計算中心的可持續(xù)發(fā)展。（1）對科學研究計算資源，建議政府采用集中購買高性能計算服務方式，并形成可考核、可量