摘 要 從1983年中國第一臺超級計算機“銀河-I”研制成功到如今“天河”“神威”系列超級計算機排名世界第一，40多年的中國超級計算機研制史輝煌亮眼。但是，一些發(fā)展中的問題還沒有被足夠重視，一些研究的不足還需要關(guān)注和探討。對中國超級計算機的自主創(chuàng)新、軟硬件、應(yīng)用、能耗、人才等方面做試探性反思，對中國正由“超算大國”向“超算強國”發(fā)展，特別是在中美在該領(lǐng)域競爭白熱化的今天具有一定意義和啟示。

　　關(guān)鍵詞 超級計算機 自主創(chuàng)新 銀河-I

　　超級計算機(Supercomputer)，又稱巨型計算機①，是指在一定的生產(chǎn)工藝條件下，采用最先進(jìn)技術(shù)、工藝設(shè)計生產(chǎn)出來的功能最強、運算速度最快、存儲容量最大、檔次最高、面向科學(xué)與工程的電子計算機系統(tǒng)[1]。超級計算機通常由成千上萬個處理器(機)組成，具有巨大的數(shù)值計算能力和數(shù)據(jù)處理能力，能計算普通個人計算機和服務(wù)器不能完成的大型復(fù)雜課題。工業(yè)界的普遍標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為，浮點運算速度為每秒1億次以上的數(shù)字式電子計算機才是超級計算機[2]。超級計算機一向被稱為國之重器，是世界各國競相角逐的科技制高點，也是一個國家科技實力的重要標(biāo)志之一。

　　中國第一臺超級計算機是國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)于1983年12月研制成功的“銀河-I”，這臺計算機在國防建設(shè)和國民經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮了重要作用，中國也成為世界上少數(shù)幾個能夠研制超級計算機的國家之一[3]。此后我國在超級計算機研制方面捷報頻傳，如國防科大、國家并行計算中心、中科院計算所、聯(lián)想集團(tuán)等單位相繼推出了“銀河”“神威”“曙光”“深騰”等一系列國產(chǎn)超級計算機系統(tǒng);2010年11月，中國千萬億次超級計算機“天河一號”在世界超級計算機五百強排行榜(TOP500)上首次問鼎冠軍，2013-2018年，中國“天河二號”和“神威·太湖之光”超級計算機連續(xù)排位第一名，實現(xiàn)世界超算“十連冠”[4]。

　　40多年來，中國超級計算機研制從“零的突破”到“世界之巔”，集中地反映了這一國家大型科學(xué)工程項目著眼國家戰(zhàn)略需求，堅持走中國特色自主創(chuàng)新之路的科研歷程。不僅滿足了中國尖端技術(shù)研究的急需，支援了國民經(jīng)濟建設(shè)，也積累了一整套研發(fā)高性能計算機的經(jīng)驗，使中國人在掌握計算機科學(xué)技術(shù)上向前跨越了一大步，成果和效用自不待言。但是，中國超級計算機研制歷程的背后，一些發(fā)展中的問題還沒有被足夠重視，一些研究的不足還需要關(guān)注和探討。特別是2018-2020年，美國“頂點”(Summit)和日本“富岳”(Fugaku)等超級計算機先后超越中國的“神威·太湖之光”成為世界最快超級計算機，而中國的新一代超級計算機遲遲未能推出。

　　因此，中國超級計算機到今天有必要進(jìn)行自我總結(jié)，對其面臨的深層次問題進(jìn)行一些反思，以期在全球高端科技、尤其是高性能計算機研發(fā)領(lǐng)域競爭異常激烈的今天，實現(xiàn)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，為決策者及研究同行提供現(xiàn)實參考。

　　一 自主創(chuàng)新路向何方

　　“創(chuàng)新”在科技類文章中是一個常用詞，大量文獻(xiàn)中使用對“創(chuàng)新”概念的闡述均來源于20世紀(jì)初美籍奧地利經(jīng)濟學(xué)家約瑟夫·熊彼特(J. A. Joseph Alois Schumpeter，1883-1950)，他在《經(jīng)濟發(fā)展理論》一書中對創(chuàng)新進(jìn)行了系統(tǒng)的理論研究。熊彼特的研究雖然具有普適性，但嚴(yán)格意義上講，他對的“創(chuàng)新”的闡釋主要還是針對經(jīng)濟領(lǐng)域和社會生產(chǎn)領(lǐng)域，而并非科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代，中國學(xué)界開始主動借鑒西方創(chuàng)新理論研究，并結(jié)合自身特點和實踐歷程對有關(guān)理論進(jìn)行完善。

　　進(jìn)入21世紀(jì)，中國《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》中，對自主創(chuàng)新的定義是“通過擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的獨特的核心技術(shù)以及在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)新產(chǎn)品的價值的過程”[5]，主要包括原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新三種形式。原始創(chuàng)新指前所未有的科學(xué)發(fā)現(xiàn)、技術(shù)發(fā)明、原理性主導(dǎo)技術(shù)等創(chuàng)新成果;集成創(chuàng)新指通過對各種現(xiàn)有技術(shù)的有效集成，形成有市場競爭力的產(chǎn)品或者新興產(chǎn)業(yè);引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新是指在引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)、分析、借鑒，進(jìn)行再創(chuàng)新，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)。

　　由于國外技術(shù)封鎖和國內(nèi)技術(shù)落后的原因，中國首臺超級計算機銀河-I在研制之初，就確定了“走一條自力更生、學(xué)習(xí)與獨創(chuàng)相結(jié)合，起點跟得上當(dāng)時國際水平的新路子”[6]。銀河-I是以美國第一臺可持續(xù)性能達(dá)到每秒1億次以上速度的向量超級計算機Cray-1為范本研制的，它在總體方案上瞄準(zhǔn)Cray-1，借鑒其成功的設(shè)計思想;同時對當(dāng)時國內(nèi)沒有或是不能保證質(zhì)量的核心元器件，設(shè)法從外國引進(jìn)。因此，銀河-I并不是完全自主創(chuàng)新的成果，而是小部分原始創(chuàng)新和大部分集成創(chuàng)新結(jié)合的產(chǎn)物。例如，對于無法洞悉Cary-1究竟如何實現(xiàn)億次計算，銀河-I研制人員通過原始創(chuàng)新，突破了雙向量陣列體系結(jié)構(gòu)、改進(jìn)浮點倒數(shù)近似迭代算法、指令鏈接與流水控制、素數(shù)模雙總線交叉訪問的存儲控制等關(guān)鍵技術(shù)。而銀河-I的整體工程實現(xiàn)，是通過大規(guī)模綜合集成創(chuàng)新完成的。

　　事實證明，當(dāng)時這樣做既為整個工程爭取了時間，節(jié)約了研制經(jīng)費，又保證了銀河-I系統(tǒng)性能的高水平。20世紀(jì)七八十年代，中國與西方發(fā)達(dá)國家存在較大技術(shù)差距，銀河-I研制利用改革開放條件，走原始創(chuàng)新和集成創(chuàng)新相結(jié)合的路子有較強的現(xiàn)實意義。此后采用同樣模式又相繼誕生了銀河-Ⅱ、銀河-Ⅲ等系列超級計算機。同時，機制更為靈活的中國科學(xué)院計算機技術(shù)研究所、聯(lián)想集團(tuán)等單位和企業(yè)，采用“引進(jìn)-消化-吸收-再創(chuàng)新”的方式，研發(fā)成功“曙光-1”“深騰-1800”等系列超級計算機，完成了從大規(guī)模并行體系結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)，到可擴展共享存儲并行體系結(jié)構(gòu)的跨越。

　　但是，中國超級計算機的自主創(chuàng)新之路并不平坦。2010年11月，當(dāng)“天河一號”成為世界最快的超級計算機，其核心部件90%以上卻依然采用了美國英特爾公司和AMD公司最先進(jìn)的CPU(中央處理器)和GPU(圖形加速器)[7]。連續(xù)六次登頂世界超級計算機500強之首的“天河二號”，其硬件系統(tǒng)主要部件的計算陣列全部采用美國商用微處理器[8]。2010年曾排名世界第二的中國“曙光星云”超級計算機，核心部件全部是由國外英特爾和英偉達(dá)芯片構(gòu)建的。在中國已成為世界第二大經(jīng)濟體的今天，國產(chǎn)超級計算機系統(tǒng)核心部件仍大量使用國外進(jìn)口芯片就不免受到公眾的質(zhì)疑。

　　事實上，以集成創(chuàng)新為主的模式最終只能仿制別人、依靠別人，引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新的模式最后會落入“落后-引進(jìn)-再落后-再引進(jìn)”的陷阱。2015年，美國政府禁止了英特爾等企業(yè)向中國出口超級計算機有關(guān)的設(shè)施與技術(shù);2018年，美國商務(wù)部又簽署了禁購令，要求所有美國公司不得向中國企業(yè)出口包括芯片、軟件、操作系統(tǒng)等商品。這對從事中國超級計算機研制的一些單位產(chǎn)生了不利影響，使已經(jīng)運行的某型超級計算機系統(tǒng)未能繼續(xù)升級，甚至導(dǎo)致某項百億億次級計算系統(tǒng)研制進(jìn)度一再推遲。

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