2022年中国高性能计算机发展现状,分析与展望
张云泉， 袁良＊，袁国兴，李希代
1．中国科学院计算技术研究所，计算机体系结构国家重点实验室，北京 100190
2. 北京应用物理与计算数学研究所，北京 100088
在国际上自1993年起每半年会按Linpack的测试性能公布在世界范围内已安装的前500台高性能计算机排行[1-2]。在国内，自2002年起每年会公布安装在中国大陆的我国高性能计算机性能TOP 100排行榜。这些排行榜成为分析和预测高性能计算机体系结构演化、应用领域兴替、研制厂商竞争、超算行业发展的重要参考。
从TOP 100榜单冠军来看，2002年-2004年我国高性能计算机排行榜中名列第一的联想深腾1800万亿次机群、联想深腾6800万亿次机群和曙光4000A分别在当年的世界TOP 500排行榜中位列第43、14和10名；
2005年-2007年由IBM研制的两台机器获得我国高性能计算机排行榜冠军；
2008年TOP 100排行榜冠军曙光5000A超算系统再次跻身当年TOP 500排行榜第10名位置；
2009年由国防科大研制的天河一号获得TOP 500排行榜第5名。
2010年-2012年占据中国TOP 100 排行榜第一位的是由国防科大研制的CPU+GPU异构系统国产天河一号A千万亿次超级计算机，也在2010年11月国际TOP 500排行榜中夺得冠军；
2013年-2015年同样由国防科大研制的CPU+MIC异构系统天河二号超级计算机，连续三年获得中国TOP 100和国际TOP 500（六届）排行榜冠军。至此，国防科大研制的天河系列超级计算机七次夺取世界第一。
2016年，由国家并行计算机工程技术研究中心研制的神威·太湖之光基于国产SW26010众核处理器和互联网络，替代天河二号系统获得两个排行榜第1名，并连续五年夺得中国TOP 100榜首，连续两年（四届）获得国际TOP 500冠军。2021年，由服务器供应商研制的网络公司主机系统，采用CPU+GPU异构众核处理器架构，以125 PFlops的Linpack性能位居中国TOP 100榜首。2022年，服务器供应商采用相似架构研制成功一台Linpack性能超过200 PFlops的网络主机系统，
超级计算系统作为计算科学的必备基础设施，已经成为国家之间的战略必争点和创新转型的利器，各国都投入巨资争夺世界制高点，以超级计算机系统为核心的算力经济时代已经到来。经过三十年的快速发展，中国研制超算系统的能力以及研发具有超大规模可扩展性并行应用的水平已经跻身世界先进行列。
其次，从超级计算机系统份额看，2010年我国安装的超级计算机的上榜数量首次超越日本和欧盟，排名世界第二，仅次于美国。2016年TOP 500中安装在中国大陆的超算系统首次超过美国，排名世界第一，联想制造的超算系统上榜数位列美国HPE之后排名第二。2018年11月公布的TOP 500榜单中，我国以227台数量远超第二名美国的109台，其中联想制造的超算系统达到140台，位列厂商第一，浪潮和曙光分别以84台和57台位列二三名，三家厂商占据281台超过一半，出口54台。2019年11月公布的TOP 500排行榜中，我国228台数量远超第二名美国的117台，其中联想达到174台，曙光和浪潮以71和66台继续位居二三位，三家单位合计311台。2020年11月公布的TOP 500排行榜中，我国继续以213台数量远超第二名美国的113台，其中联想达到181台，继续保持增长态势，浪潮和曙光以66和51台位居二三位，三家单位合计298台。2021年11月的TOP 500排行榜中，我国继续以173台系统排名第一，美国以143台紧随其后。2022年11月的TOP 500排行榜中，我国继续以162台系统排名第一，美国以127台排名第二，联想仍旧以160台数量排TOP 500制造商第1名。美国虽然仍是世界超算的强国，但是其在TOP 500上的数量已经降低到不足30% 的份额，难以恢复二十年前独霸世界TOP 500 70%系统的盛况。
在超算应用方面，我国分别在2016、2017和2021年SC大会上获得三次国际上高性能计算应用领域的最高学术奖——戈登贝尔奖。2016和2017年获奖的“千万核可扩展全球大气动力学全隐式模拟”和“非线性大地震模拟”均为基于神威·太湖之光系统的全机应用，2021年的“超大规模量子随机电路实时模拟”基于一台神威新系统对量子进行了开创性的电路模拟。同时，2014、2016、2017、2018、2021和2022 年还分别有1项、2项、1项、1项、2项和1项工作获得戈登贝尔奖提名。此外，2015年清华大学团队获得了三大国际大学生超算竞赛——SC超算大赛、ASC超算竞赛和ISC超算竞赛冠军，成为全球第一支获得三大超算赛事大满贯的团队。2016年在SC 16大会上举办的大学生超算竞赛中，中国科学技术大学代表队包揽了总分和最高LINPACK性能两项冠军，成为SC大学生超算竞赛自2007年举办十年以来首个双料冠军队。2021年在SC 21总决赛上，清华大学超算团队再次夺得总冠军，实现SC竞赛四连冠。这些大规模应用软件可扩展性和性能调优方面的成绩表明我国在并行软件方面的发展方兴未艾。
本文给出对中国计算机学会高性能计算专业委员会与中国工业与应用数学学会高性能计算与数学软件专业委员会于2022年11月发布的中国高性能计算机性能TOP100排行榜[3]数据的深入分析与展望。文中的图表数据主要来源于中国HPC TOP100。以下将中国HPC TOP100简称中国TOP100[4-9]。
本节图1和表1分别给出的是中国TOP100的总体性能发展趋势图以及TOP10计算机情况的列表。
表1 中国TOP100排行榜TOP10（2022.11）Table 1 The Top 10 systems (2022.11)
图 1中国高性能计算机年度性能发展趋势(2002-2022) Fig.1 The performance trend of HPC TOP 100 (2002-2022)
和2021年11月发布的世界TOP 500高性能计算机的情况相比，可以看到：
（1）2022年11月 世 界TOP 500总Linpack性能达到了4,864 PFlops，是2021年3,306 PFlops的1.47倍，增速较之去年的1.36倍有所增加；
根据2022年中国TOP100排行榜的数据，中国TOP100的总Linpack性能是899.9 PFlops，是2021年691.3 PFlops的1.30倍，增速与去年的1.79倍相比有较大幅度降低，但仍高于前年的1.11倍，这说明中国超级计算的发展速度有较快恢复和增长能力。
2022年，由服务器供应商研制、部署于网络公司的CPU+GPU异构众核主机系统占据榜首，它是当前中国最高性能的计算机系统，包括460,000 CPU核，系 统 峰 值为390 PFLOPS，Linpack性 能为208.260 PFlops，应用领域为算力服务，是排名第二机器125.040 PFlops的1.66倍和第三名神威·太湖之光系统Linpack测试值的2.24倍。中国研制的神威·太湖之光超级计算机，以93.015 PFlops的Linpack性能排在TOP100第三名。太湖之光曾蝉联了四次世界TOP 500冠军，使得中国研制的国产超级计算机在世界TOP 500的冠军位置上保持的次数达到了历史性的十一次。2022年美国制造的Frontier 超算系统登顶TOP 500榜首，峰值和Linpack性能首次双双突破1 EFlops，分别为1.685 EFlops和1.102 EFlops；
2020年日本制造的、峰值首次突破500 PFlops的Fugaku超算系统排名第二，其Linpack性能达到442.010 PFlops；
由HPE Cray研制的另一台LUMI 排名第三，其架构与排名第一的Frontier完全一致，峰值和Linpack性能分别为428.703 PFlops和309.100 PFlops；
另 一 台2022年 由Atos研 制的Leonardo 超算系统以174.700 PFlops的Linpack性能排名第四；
2018年美国制造的两台超算系统Summit和Sierra紧随其后，其中Summit峰值达到200 PFlops，Linpack性能为历史首次突破百P达到148.600 PFlops，Sierra仅以微弱优势超越神威·太湖之光获得季军；
神威·太湖之光位居第七名。
（2）进入2022年11月份，世界TOP 500机器的Linpack性能都超过了1.729 PFlops；
进入2022年，中国TOP100机器的Linpack性能都超过了2.011 PFlops，中国排行榜的上榜门槛再次超过世界TOP 500。中国TOP100中有98个系统是机群，机群体系架构的数量继续保持绝对数量优势。其中采用异构加速体系架构的机器数量达到了33套，且由过去的集中在前几名和比较大的机器，变为分散在TOP100中，这样的变化表明随着深度学习等大数据应用的普及，GPU加速的异构体系结构获得了更广泛的应用。
（3）世界TOP 500中TOP 10的最低性能都超过60 PFlops；
其中HPE制造3台，IBM制造2台，国家并行计算机工程中心、国防科大、日本富士通公司、Nvidia、Atos各1台。高端能力型超算(TOP10)的研制呈现出几家独大的局面，中美日欧都在积极占领制高点，特别是2022年发布的Frontier达到Linpack实测性能超过1 EFlops，在TOP 10机器占比和性能占比上已经超过中国。中国TOP100中，TOP 10的最低性能大于9.120 PFlops，其中服务器供应商7台、北龙超云1台、国家并行计算机工程中心和国防科大各1台。
（4）世界TOP 500上采用Intel处理器的超算系统达到379台，虽然依然保持较高占比，但较之去年的408台和前年的459台，占比继续下降，而采用AMD 处理器的超算系统达到101台，其中EYPC系列CPU的99台，Rome处理器2台。这表明了以AMD和IBM为代表的处理器制造商对Intel的激烈竞争。
采用异构加速体系架构的系统数量再次上升，从2020年的148套、2021年的150套到2022年的178套。中国TOP100的趋势与TOP 500一致，2022年有33套系统采用了GPU/MIC加速，虽然与2021年的34套相比有所减少，但在前十名中的占比有所增加，其中主要归因于深度学习算法在互联网公司的成功应用，使得CPU+GPU的异构加速集群成为当前互联网公司进行AI训练的首选体系架构。
（5）亚洲国家在世界TOP 500上的机器数量从2020年的267台、2021年的226台到2022年的218台，虽然继续保持较高占比，但每年下降幅度大。排行榜中有来自中国大陆的162套，相比去年的173套系统继续下降，但总数仍排世界第一。虽然中国上榜的数量排名世界第一，但我们应该清醒地认识到，其中大部分的机器并非应用在传统的科学计算应用，而是新兴的互联网云计算和大数据应用。
（6）2022年中国TOP100排行榜中机器的平均Linpack性能8.999 PFlops是2021年6.913 PFlops的1.30倍。2022年国际TOP 500排行榜中机器的平均Linpack性能为9.728 PFlops，是2021年6.07 PFlops的1.60倍，增速较去年的1.24倍有所增加，主要原因在于排名第一的机器对平均性能的影响很大。国内和国际排行榜的平均性能双双首次超过8 PFlops。
我们在图2中给出了中国TOP100制造商的上榜机器数量份额图。
图2 中国TOP100制造商机器数量份额图（2022.11）Fig.2 Vendors system share（2022.11）
2022年中国TOP100排行榜上厂商的上榜机器数量份额与去年类似，国产机器的市场份额主要被联想、浪潮和曙光三家瓜分，联想今年以42台机器获得份额第一名，浪潮以27台位列第二，曙光10台获得第三。
图3给出的是从2002年到2022年中国TOP100国内外厂商系统份额的趋势变化情况。
图3 中国TOP100国内外厂商系统份额趋势(2002-2022)Fig.3 Trend of the vendors system share（2002 - 2022）
从装机数量上，前三名分别是联想（42%）、浪潮（27%）和曙光（10%）。北龙超云公司作为HPC研制厂商出现在2021年的TOP100 上，并继续占据5%的份额，其中三套系统占据了第8、11和12名的位置。联想、浪潮和曙光公司虽夺得机器总数量的前三名，且总数量占比达79台，但其机器总性能之和占比较小，说明其机器规模仍然属于中小规模。联想公司通过对IBM公司X86 HPC产品线的并购，第九次在机器数量份额上取得冠军，但是如何保持良好的发展势头并持续大力投入，是联想公司需要解决的问题。目前的中国超算市场由原来的联想、浪潮和曙光三足鼎立的格局逐步变为了联想和浪潮间的相互竞争。去年国外厂商在HPC领域又通过联合北龙超云共同研制而返回中国市场，未来如何发展值得关注。国产厂商在逐渐获得国内市场的垄断优势之后，开始纷纷布局国际市场，开启国际化的征程，其中的华为和联想公司，因为本身公司已经是跨国公司，具备先发优势。而浪潮公司和曙光公司2018年在国际市场也开始有所斩获，传出好消息。
2022年11月的TOP 500排行榜中，我国继续以162台系统排名第一，美国以127台排名第二。联想制造的超算系统达到160台，位列厂商第一，浪潮和曙光分别以50台和34台位列二三名，三家厂商占据244台接近一半，这充分说明了我国超算发展已经牢牢占据领先地位，超级计算系统会成为中国继高铁之后，另外一个可以出口的中国制造高科技产品。
为便于分析，我们在图4给出了2022年中国TOP100中的行业应用领域Linpack性能份额图。
图4 中国TOP100行业应用领域机器Linpack份额图（2022.11）Fig.4 Application field Linpack performance share（2022.11）
从2022年11月发布的中国TOP100的行业应用领域来看，去年新增的算力服务这一类型的占比继续增加，由46%增加到56%，充分反应了算力经济时代的到来。算力将具体的计算软件和硬件统一地抽象为执行计算的能力。算力服务即提供算力的一种模式，是包括算力生产者、算力调度者、算力服务商以及算力消费者在内的算力产业链上算力经济模式的统称。
本文作者张云泉在2018年就提出算力经济概 念[13]，指出以超级计算为核心的算力经济将成为衡量一个地方数字经济发展程度的代表性指标和新旧动能转换的主要手段[14-16]。综合近几年的发展趋势[18-19]，我们认为高性能计算当前发展趋势已充分表明，随着超算与云计算、大数据、AI的融合创新，算力是当前整个数字信息社会发展的关键，算力经济已经登上历史舞台。
首先，高性能计算与云计算已经深度结合。高性能计算通常是以MPI、高效通信、异构计算等技术为主，偏向独占式运行，而云计算有弹性部署能力与容错能力，支持虚拟化、资源统一调度和弹性系统配置。随着技术发展，超级计算与容器云正融合创新，高性能云成为新的产品服务，AWS、阿里云、腾讯以及百度，已经都基于超级计算与云计算技术推出了高性能云服务和产品。
其次，超算应用从过去的高精尖向更广更宽的方向发展。随着超级计算机的发展，尤其是使用成本的不断下降，其应用领域也从具有国家战略意义的核武器研制、信息安全、石油勘探、航空航天和高冷的科学计算领域向更广泛的国民经济主战场快速扩张，比如制药、基因测序、动漫渲染、数字电影、数据挖掘、金融分析以及互联网服务等，可以说已经深入到国民经济的各行各业。从近年TOP 100来看，超算系统过去主要集中于科学计算、政府、能源、电力、气象等领域，而近五年互联网公司部署的超算系统占据了相当大比例，主要应用为云计算、机器学习、人工智能、大数据分析以及短视频等。这些领域对于计算的需求急剧上升，超算正与互联网技术进行融合。
再次，国家层面已经制定了战略性的算力布局计划。2021年5月国家发展和改革委员会等四部门联合发布《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》[18]，提出在京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝以及贵州、内蒙古、甘肃、宁夏建设全国算力网络国家枢纽节点，启动实施“东数西算”工程，把东部的数据送到西部进行存储和计算，在西部建立算力节点，改善数字基础设施不平衡的布局，有效优化数据中心的布局结构，实现算力升级构建国家算力网络体系[19]。
最后，人工智能的算力需求[20]已成为算力发展主要动力。机器学习、深度学习等算法革新和通过物联网、传感器、智能手机、智能设备、互联网技术搜集的大数据，以及由超级计算机、云计算等组成的超级算力，被公认为是人工智能时代的三驾马车[17]，共同掀起最新一轮的人工智能革命。在人工智能蓬勃发展这一背景下，虚拟化云计算向高性能容器云计算演进，大数据与并行计算、机器学习融合创新就成为了产业发展的最新方向。在智能计算评测方面，已经提出了包括AIPerf 500[21]在内的众多基准测试程序，这是对传统Linpack测试标准的有力补充。
这些发展表明超算技术向产业渗透的速度加快，我们已经进入一个依靠算力的人工智能时代，这也是未来发展的必然趋势之一，随着用户对算力需求的不断增长，算力经济必将在未来社会发展中占据重要地位。
从Linpack性能份额看，算力服务以56%的比例占据第一，超算中心占18%排名第二，大数据、云计算和教育科研分别以6%、4%和4%紧随其后。人工智能占比的持续增加与机器学习等算法和应用的快速崛起，以及大数据中的深度学习算法的广泛应用有很大关系，互联网公司通过深度学习算法重新发现了超级计算机特别是GPU加速的异构超级计算机的价值，纷纷投入巨资建设新系统。
综合来看，目前的算力服务、超算中心、人工智能、科学计算等领域是高性能计算的主要用户，互联网大数据特别是AI领域增长强劲。
根据历年积累的数据，我们在图5中给出了中国TOP100从2002年到2022年的应用领域趋势图。
图 5中国TOP100应用领域趋势(2002-2022)Fig.5 Trend of application field system share (2002 - 2022)
综上，2022年中国TOP100排行榜的主要亮点如下：
（1）由服务器供应商研制、部署于网络公司的CPU+GPU异构众核主机系统占据榜首， Linpack性能为208.260 PFLOPS；
（2）联想位列中国TOP100数量份额第一名；
（3）TOP100总体性能接近8,999 PFlops，中国高性能计算市场的增速有所恢复；
（4）入门系统性能门槛继续提升，达到2,011 TFlops，再次大幅度超过国际TOP 500的入门系统性能1,729 TFlops；
（5）98套系统采用机群结构，计算机体系结构创新形势依然严峻；
（6）上榜高性能计算机制造商为9家，国产率95%，市场份额集中在联想、浪潮和曙光三家厂商，占据79%的数量份额；
（7）算力服务应用领域继续增长，充分反映了在大数据、人工智能算法和算力三驾马车协同配合时代中算力经济的发展。
利益冲突声明
所有作者声明不存在利益冲突关系。
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