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《张江科技评论》

开博时间:2019-06-06 14:03:00

《张江科技评论》是由上海科学技术出版社与上海市张江高科技园区管理委员联合创办的一本科技评论类杂志。该刊报道评价国内外创新性科学技术的发展趋势及其商业价值,介绍上海在建设全球领先科创中心进程中的制度成果、技术成果、创业成果,推动产学研密切协作,促进科技成果转化,服务经济转型发展。

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算力设施支撑创新发展

2020-10-15 11:41:00

  发展高端计算不但可以带动计算技术本身向更高水平发展,更重要的是可以解决在国民经济建设、科技创新、产业升级、国家安全等方面的一系列具有挑战性的技术难题。

  近期,新型基础设施建设(以下简称“新基建”)已成为人们关注的重大热点和高频词。建设信息基础设施、融合基础设施和创新基础设施,将有效提升生产效率和创新水平,为我国的经济发展带来新动能。作为信息基础设施的重要成员之一,算力设施一直备受人们关注,已经成为科学研究和技术创新的重要支撑,也正逐步走进人们日常生活领域。

基建

  算力设施是科技创新的重要支撑

  计算科学和技术是当今世界最热门和活跃的领域之一。随着移动互联网、物联网、云计算、大数据、人工智能等为代表的新一代信息技术的活跃创新、迅猛发展,全球范围正掀起新一轮科技革命和产业变革。例如,物联网通过与其他通信技术的不断融合,正加速向制造技术、新能源、新材料等其他领域渗透,为数据大量生产和快速传输提供了可能。通信和存储技术的进步使得大数据和人工智能成为企业创新、社会变革的利器,为国家治理、企业决策乃至个人生活提供了更加便利的服务。数据的大量产生和广泛应用,以及新型算法的发展,则进一步凸显了算力设施的重大价值和庞大需求。

  作为算力设施的主要代表,高性能计算机(也称超级计算机)长期以来一直是世界各国特别是发达国家竞相争夺的战略制高点,各国正加紧进行下一代超级计算机研制计划。发展高性能计算不但可以带动计算技术本身向更高水平发展,更重要的是可以解决在国民经济建设、科技创新、产业升级、国家安全等方面的一系列具有挑战性的技术难题。例如,美国是世界上最重视高性能计算、投入最多、受益最大的国家,数十年来,美国政府持续实施了多个高性能计算发展计划,从而确保了美国在高性能计算领域长期处于领先地位,其颁布的政策都将高性能计算列为确保美国持续引领全球创新经济、开发未来产业、提升政府经济竞争力、促进科学发现和助力国家安全的重要手段和基础设施。当前,美国政府仍在继续加大在高性能计算领域的研发投入,通过研究革命性的设计方法来满足不断增长的高性能计算需求,包括开发超高并发性的高性能计算机、有效提升系统能效比、提高数据传输速度和效率、简化并行应用设计方法和提升应用的容错能力等,以期尽早实现百亿亿次(E级)计算。日本也是长期以来的高性能计算大国。与美国类似,日本政府非常重视高性能计算技术,不断加大在高性能计算领域的研发投入,研制的超级计算机多次位列全球第一。目前,日本也在进行E级高性能计算项目,目标是建设E级的高性能计算与软件系统来替换现有的“K计算机”。该系统将服务于未来日本的科学技术研究,如药物设计、地震研究等。欧洲也一直是高性能计算的活跃区域,在高性能计算领域投资巨大。有别于美国和亚洲,欧洲高性能计算的主要力量放在软件开发、应用集成和平台建设上,并且与工业界保持密切的合作。

  我国“九五”以来,科技部也开展了多个高性能计算发展计划,超级计算机及应用环境有了长足的发展,研制队伍也不断发展和壮大。一些重要的高性能计算机首次进入世界排名前十位,如上海超级计算中心的曙光4000A超级计算机、首次排名亚洲第一的上海超级计算中心的“魔方”超级计算机、首次排名世界第一的“天河-1A”超级计算机、全国产CPU的千万亿次“神威蓝光”超级计算机、连续6次排名世界第一的“天河二号”超级计算机、连续4次排名世界第一的全国产CPU“神威太湖之光”超级计算机等。此外,考虑到算力设施对当地科技创新环境的营造与优化,科技创新资源和队伍的集聚,以及成果产生的促进,国内各地区也在加紧筹建或升级本地区的计算资源,并纷纷将算力平台建设纳入本地区新基建的建设内容。例如,早在2000年,上海市就成立了国内首家面向全社会服务的上海超级计算中心,并持续升级,以支撑本地的科教兴市战略和科技创新活动,取得了卓越成效。自2009年起,天津、深圳、济南、长沙、广州和无锡等地陆续成立了超级计算中心并挂牌国家中心。此外,北京、武汉、成都、福州、兰州、贵阳、合肥、厦门、苏州、郑州等地近期也纷纷筹备建设或升级本地区的算力设施。上海、山东、浙江等地出台的新基建规划也都包含了高性能计算平台的建设内容。

  计算应用需求庞大、发展迅猛

  长期以来,理论推导、实验观测、计算模拟一直是人类认识世界、创新科技的三大重要手段。许多重大的科学发现和工程创新都是这三者结合产生的。

  在基础科学领域,随着计算机技术、算法和软件技术突飞猛进的发展,人们获得了大量的方便易用且廉价的算力资源,编制了大量性能优越的高性能计算程序,计算模拟得到了实质而广泛的应用。例如,在化学、材料科学、固体物理和计算生物学等微观领域的研究中,人们发展了大量且可靠的近似解法,用量子力学和牛顿力学方法来模拟微观世界中原子和分子的相互作用和行为。随着更强大、更高计算能力的超级计算机的出现,人们可以模拟越来越大规模的微观系统、越来越长时间的微观过程、越来越精细的微观现象,从而极大地增强了对自然的认知能力。在天体运动、宇宙演化等宏观领域的研究中,超级计算机更是必不可少的研究工具。2019年发布的人类历史上首张黑洞照片,就使用了大量的计算资源进行数据处理。在药物研发、基因测序等领域,算力设施可以极大地加快研发进程、降低研发成本。例如,在新型冠状病毒肺炎疫情期间,上海超级计算中心等机构的计算平台被用于抗疫药物的研发和新型冠状病毒的研究,大大加快了研究进程。

  在工业工程等产业应用方面,仿真模拟是自主研发、原始创新的必要手段。高效的计算能力为企业技术创新开发、重大工程实施提供了重要支撑,可以极大地提升研发能力、加快研发进程、降低研发成本、增强国际竞争力。例如,在航天航空、汽车、船舶、土木建筑、电子电气、能源、机械、交通、钢铁等行业,人们主要采用计算固体力学、计算流体力学、流固耦合、多物理场(声、光、电、热)耦合、电磁等方法,使用行业领域内的商业软件进行计算分析,解决产品研发、项目实施过程中的大规模计算、优化、数据可视化等问题。在上海超级计算中心开展的一些典型的应用项目包括ARJ21支线飞机和大型客机C919研制、国产商用飞机发动机的研发、核电装置的安全设计与国产化、火力与核电机组设计、燃料电池汽车研发、新型汽车研发与安全设计、船舶设计与船用大型柴油发动机自主化研制、制钢生产工艺改造与新材料设计、桥梁隧道安全性评估等。在新型冠状病毒肺炎疫情期间,上海超级计算中心的算力资源被用于武汉雷神山医院的负压病房通风系统设计,在极短的时间内就完成了仿真分析任务。

  此外,在水文、天气预报、污染物预报、大数据分析、人工智能应用等与人们日常生活较为密切的领域,高性能计算资源也发挥着不可替代的作用。例如,目前上海的日常天气预报、PM2.5等污染物预报就使用了上海超级计算中心的算力设施,而更高分辨率(1千米)的精细化预报则需要更多的算力资源。广泛应用和普及的高准确率的语音识别、图像识别也得益于深度学习算法在高性能计算环境上的成功应用。

  近年来,随着计算技术和计算机技术的进步、科技创新需求的增长以及新技术新应用的兴起,算力需求的增长更加迅猛。根据国际数据公司(IDC)和超级计算机TOP500组织的统计和分析,全球超级计算能力和超级计算需求每年约增长1倍。实际上,我国近几年在科学研究和工程开发方面对高性能计算需求的增长速度超出了人们的预期。随着我国在基础科学领域投入的加大和原始创新自主研发比例的提高,高性能计算资源需求的增长速度将进一步加快。

  高性能计算设施发展与展望

  目前,我国的超级计算机在硬件制造上已经走到世界前列,无论是最强算力还是综合算力都在超级计算机TOP500组织的排行榜上名列前茅。然而,相对于硬件,我国在软件、算法、应用和人才等方面还较为滞后,关键软件存在“卡脖子”问题。此外,在算力设施的布局、运营、规划等方面也有诸多问题和不足,缺乏长期的、可持续的发展机制等。在硬件制造方面,随着算力规模的急剧扩大,高性能计算系统巨大功耗和系统的平均无故障时间问题将变得更加突出。目前正在探索和使用的一些技术包括高效能低功耗的众核处理器和计算加速器、高效率的系统调度及容错、浸没式液冷和高温液冷技术等。新型的、颠覆现代计算机体系的技术如3D堆叠、磁基半导体、量子计算、光计算等也正在探索。在应用软件方面,计算资源的超大规模和异构特性给应用程序的编写、调试和性能调优带来了巨大的挑战。如何充分发挥大型计算系统的实际应用性能是人们关注的重点问题。一些以应用为导向、针对应用特性定制化设计和制造新型高性能计算机是目前探索的一个方向。此外,新兴应用和服务,如人工智能服务、云计算服务等也降低了算力设施的构建和使用门槛,集聚了更多的计算资源,产生了新的运营模式。目前,借着新基建的东风,上海市在“新平台”建设行动中,计划在未来3年,采用阶段性滚动扩容的方式,建设新一代高性能计算设施,打造超大规模人工智能计算与赋能平台,提升上海高性能计算设施能级,构建计算科学研究枢纽和超算应用高地。这将使上海的创新生态更上一个台阶,支撑创新工作的大发展。

上海超级计算中心

  王涛,理学博士,正高级工程师,上海超级计算中心研究发展部部长,长期从事高性能计算研究和应用,在系统构建、技术架构、应用部署、市场推广、用户支持等方面经验丰富。

  文/王 涛

本文来自《张江科技评论》

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