2023年，全球科技發(fā)展躍步向前——二維晶體管問世、ChatGPT迭代、萬米深井鉆探、人腦細胞圖譜繪制……作為科學發(fā)現(xiàn)和工程實現(xiàn)的幕后英雄，高性能計算（即“超算”）在過去的一年發(fā)展如何？在計算速度之外，未來我們更需要關(guān)注些什么？
近日，中國科學院院士、北京航空航天大學教授錢德沛接受了《中國科學報》獨家專訪，為我們作了回顧、分析、研判和展望。
錢德沛 圖片由本人提供
回顧：中國超算發(fā)展進入新階段
《中國科學報》：請先大體介紹下，中國超算的發(fā)展近況如何？
錢德沛：
近一兩年雖然比較難，但中國超算無論建設(shè)規(guī)模還是應(yīng)用水平都有了新的進步，事業(yè)發(fā)展已經(jīng)進入了一個新階段。
中國超算是從2000年之后開始走上“快車道”的，并在過去20多年里取得了舉世矚目的成就。可以說，如果沒有過去這些年國內(nèi)經(jīng)濟的快速發(fā)展和各級各地政府的支持，就沒有中國超算的今天。
但與美國相比，中國超算的規(guī)模和應(yīng)用水平仍還有不少差距。應(yīng)該看到，美國在超算領(lǐng)域的投入是遠超我們的，比如2018年開始的美國能源部E級計算計劃（ECP），僅在研制E級超級計算機方面就投入了18億美元，對E級計算應(yīng)用和運維的投入也接近這個數(shù)量。對比而言，中國超算在有限投資下取得的成就還是令人滿意的。
《中國科學報》：在剛剛過去的2023年，超算領(lǐng)域讓你印象深刻的事件有哪些？
錢德沛：
至2023年，美國規(guī)劃的3臺百億億次超級計算機（E級超算）已經(jīng)有2臺問世，分別是部署于美國橡樹嶺國家實驗室的Frontier和新近在美國阿貢國家實驗室完成部署的半規(guī)模的Aurora。Aurora全系統(tǒng)完成后計算性能峰值將超過2 Exaflops，預(yù)計2024年問世，在全球超算TOP500榜單上將超過Frontier，成為新的世界第一超算。
2023年國內(nèi)超算領(lǐng)域的一件大事是國家超算互聯(lián)網(wǎng)工作啟動部署。
超算互聯(lián)網(wǎng)的一大目標是，通過緊密連接供需雙方，探索一種新的運營模式和服務(wù)體系，不僅算力資源可以統(tǒng)籌調(diào)度，在應(yīng)用層也可實現(xiàn)互聯(lián)共享。我認為這件事的關(guān)鍵是要讓供需雙方都能有更好的獲得感，在這個前提下，帶動我國計算技術(shù)向更高水平發(fā)展，推動自主核心軟硬件技術(shù)深度應(yīng)用。
《中國科學報》：自力更生、超算互聯(lián)、普惠應(yīng)用、超智融合、低碳綠色……這幾個詞中，哪幾個詞語更能代表中國超算在過往一年的發(fā)展特點？
錢德沛：
“自力更生”是中國超算多年來一直在踐行的，“低碳綠色”也是大家多年來的共同目標，所以這兩個詞匯并不算是2023年的特點。
能夠代表2023年特點的詞，我想“超算互聯(lián)”和“超智融合”是比較有共識的。超算互聯(lián)前面說了，超智融合今年也是談?wù)摫容^多的話題。至于“普惠應(yīng)用”，我覺得2023年我們的超算還沒有達到這個階段，這也是我們要努力的一個目標。
分析：融合發(fā)展與協(xié)同優(yōu)化成為關(guān)鍵詞
《中國科學報》：2023年是“大模型年”“AIGC元年”，超算也在加速與AI融合，驅(qū)動科學研究、行業(yè)應(yīng)用進入數(shù)智時代。對于超算和智算的融合，你認為有哪些需要關(guān)注的點？
錢德沛：
超算和智算本質(zhì)都是計算。超算的“超級”是階段性的概念，是對更高計算能力的描述；智算是支撐智能應(yīng)用的計算基礎(chǔ)設(shè)施，只不過人們從狹義上賦予了它們基于各自特征的名字，支持傳統(tǒng)的數(shù)值計算的叫超算，使用深度學習模型和開放數(shù)據(jù)的計算叫智算。人們談?wù)摰娜诤弦彩腔谶@兩類算力特征在能力、應(yīng)用等層面的統(tǒng)一。
從這個認識前提出發(fā)，超智融合是一種客觀存在，這其中我認為有兩方面的工作需要關(guān)注。第一，要突破二者技術(shù)層面上的互相借用，找到相互的支撐點；第二，要注意應(yīng)用的牽引，從應(yīng)用出發(fā)，發(fā)揮智算和超算各自的潛能。
中國現(xiàn)階段的算力發(fā)展受到的外部制約條件比較多，智算和超算在硬件層面、算法層面、軟件層面和應(yīng)用層面的融合，有望促進系統(tǒng)的深度優(yōu)化。如果能做到這樣，也將是中國計算發(fā)展取得新突破的一個有效路徑。
《中國科學報》：人們往往會更關(guān)注超算的計算速度或者算力峰值，而對其他指標關(guān)注較少。從整機性能來看，我們還應(yīng)該關(guān)注超算的哪些方面？
錢德沛：
超算的計算速度直接反映著計算系統(tǒng)的能力，理所當然地成為大眾關(guān)注的重點。但確實，制約超算整體性能發(fā)揮和應(yīng)用水平的因素還有很多，比如存儲、互連、軟件等等，有時候這些因素對超算整體性能的制約更大。
因此，超算系統(tǒng)的性能優(yōu)化也不應(yīng)該只盯著計算核心，要結(jié)合存儲設(shè)備、互連網(wǎng)絡(luò)、加速硬件等一起來看，從軟硬件協(xié)同上下功夫。我們的核心計算芯片相比國際先進水平目前仍有差距，更應(yīng)該從協(xié)同優(yōu)化上多做文章，這樣才能讓我們的超算系統(tǒng)即便在現(xiàn)階段還不那么先進的芯片的基礎(chǔ)上，在某些領(lǐng)域或某一類應(yīng)用中也能發(fā)揮出優(yōu)異的性能。
軟硬件協(xié)同深度優(yōu)化是有案例可循的。例如，美國D. E. Shaw研究所就用專門設(shè)計的ASIC芯片搭建了分子動力學模擬專用計算機（Anton machine），通過算法創(chuàng)新和軟硬件協(xié)同，在分子動力學模擬中獲得了比通用計算機高出百倍的計算能效，這是非常值得我們借鑒的。
《中國科學報》：你剛才提到了軟硬件協(xié)同，我國超算軟件的發(fā)展現(xiàn)況如何？
錢德沛：
對于計算機而言，軟件的重要性不亞于硬件。當前，我國自主超算應(yīng)用軟件的發(fā)展仍滯后于超級計算機硬件系統(tǒng)，是我國超算事業(yè)中一個亟待補齊的短板。
事實上，國家一直在支持自主超算應(yīng)用軟件的發(fā)展，先后支持過數(shù)十個超算應(yīng)用軟件的開發(fā)與推廣使用，但多數(shù)目前仍停留在自研自用的“超算應(yīng)用程序”的形態(tài)，還沒有真正實現(xiàn)“軟件化”，更難言商業(yè)成功。這與我國超算自主應(yīng)用軟件用戶數(shù)量少、產(chǎn)品化能力弱、運營推廣不足等原因有關(guān)。
所以剛才講“軟硬協(xié)同”，也是在講軟件開發(fā)一定要和硬件優(yōu)化配合起來。我國自主研發(fā)的超級計算機的計算核心是國產(chǎn)芯片，許多大型商業(yè)軟件并不能直接拿來用，因此適配國產(chǎn)芯片的超算軟件的研發(fā)是真正發(fā)揮我國超算作用的必由之路。換句話說，我國的超算的應(yīng)用生態(tài)，只能依靠自己來建設(shè)。
研判：要應(yīng)對數(shù)據(jù)規(guī)模提出的新命題
《中國科學報》：如今的計算應(yīng)用，數(shù)據(jù)規(guī)模都不小，尤其在分布式算力中心環(huán)境下，數(shù)據(jù)的放置對于應(yīng)用的性能和能耗影響都很大，市面上也出現(xiàn)了建設(shè)數(shù)據(jù)密集型超算的做法。對此你怎么看？
錢德沛：
過去我們常將計算機分為兩類：以控制器為中心和以存儲器為中心的體系結(jié)構(gòu)，其實就是CPU和存儲器哪個被放在“中心”的位置。自事務(wù)處理應(yīng)用涌現(xiàn)后，大家越來越強調(diào)數(shù)據(jù)存儲的重要性。
其實，制約超算性能的一大原因就是“存儲墻”，因為存儲器的速度和處理器速度之間的差距在加大，“存儲墻”對計算性能的影響就越來越明顯。從這個角度看，在大數(shù)據(jù)和人工智能興起的背景下，數(shù)據(jù)密集型超算的提法是有道理的，符合事物發(fā)展的規(guī)律。
但是，人工智能應(yīng)用不是只強調(diào)數(shù)據(jù)量大或計算量大，而是二者都有。也就是說，數(shù)據(jù)密集型超算要應(yīng)對的是數(shù)據(jù)和計算量的雙重密集，這是應(yīng)用特點決定的。
隨著科學智能時代來臨，應(yīng)用場景如氣象海洋、基因測序、高能物理、新材料設(shè)計等，對大計算和大數(shù)據(jù)的要求并重，數(shù)據(jù)的重要性日益凸現(xiàn)，存儲性能面臨更高挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)密集型超算是超算結(jié)合了人工智能、大數(shù)據(jù)等新一代應(yīng)用需求和技術(shù)特點后產(chǎn)生的一種計算類型，是高性能計算領(lǐng)域的一個有益創(chuàng)新探索。
《中國科學報》：數(shù)據(jù)正成為新的生產(chǎn)資料，這使得存力的基礎(chǔ)地位日益彰顯。我國超算目前常面臨“重算力、輕存力”的現(xiàn)狀。對于解決這一問題你有什么想法？
錢德沛：
過去由于成本、預(yù)算等原因，一些超算中心在建設(shè)之初沒有配備足夠的存儲能力，往往需要在運行過程中根據(jù)業(yè)務(wù)需要陸續(xù)擴展存儲，這一現(xiàn)象確實存在。這并不是不重視存力，而是在經(jīng)費限制條件下的一種策略。
存儲歷來是與計算緊密耦合的，但從產(chǎn)業(yè)角度來看，如果存儲系統(tǒng)的可擴展性和一致性維護等基本功能都做得很好，成為一個標準化的、模塊化的東西，那么存儲其實也可以抽象成為一層獨立的基礎(chǔ)設(shè)施。如果存力設(shè)施可以像標準化的服務(wù)器一樣使用，用戶無須知道存儲系統(tǒng)的軟硬件架構(gòu)和內(nèi)部實現(xiàn)細節(jié)，只需知道連接的東西是一個數(shù)字基礎(chǔ)底座、可以按需配備和使用，這對于解決存算失調(diào)問題或許是一條可行路徑。
展望：中國超算未來要“以應(yīng)用論英雄”
《中國科學報》：現(xiàn)在全球超算競爭的焦點有什么變化嗎？
錢德沛：
全球圍繞超算的競爭一直存在，圍繞計算性能、IO能力、能耗、支持AI的能力等，這些都對應(yīng)著一些排名榜單。
但現(xiàn)在圍繞應(yīng)用效果的比拼是值得關(guān)注的。可以看到，美國這些年來受益于計算能力的領(lǐng)先，在超級計算技術(shù)的幫助下促進了其軍事、科技和產(chǎn)業(yè)的進步。我們也要在真正發(fā)揮超算作用方面下大力氣，想辦法讓超算更好用、讓更多人用好超算，用超算促進各行各業(yè)的發(fā)展。
《中國科學報》：進入2024年，請展望一下，超算在未來有哪些重要的發(fā)展趨勢？
錢德沛：
中國未來要更多以應(yīng)用論英雄。
現(xiàn)在許多領(lǐng)域已經(jīng)是離開計算就“玩不轉(zhuǎn)”了，比如高能物理、生命科學、氣象預(yù)報、航空航天、汽車制造等等，可以預(yù)見社會每個領(lǐng)域的發(fā)展，都可以借助計算來優(yōu)化。所以未來中國的超算也好、智算也好，努力的方向就是要真正發(fā)揮出實效。
我們發(fā)展超算的思路一直都是強調(diào)機器、環(huán)境、應(yīng)用的協(xié)調(diào)均衡發(fā)展，這三者相輔相成，缺一不可。沒有強大的計算能力，一切都是無根之木，而超算能力若不能被很好地利用，就無法體現(xiàn)其價值。所以，我們要創(chuàng)造好的物理平臺，讓三方面的人能夠聚合交流，一起工作，使超算真正成為被廣泛利用的資源。
超算不應(yīng)該是只有少數(shù)人用得起、用得上的“神器”，而是越多人參與、越多人使用越好。所以，未來超算不要只盯著計算速度提高了多少，還要更多以應(yīng)用論英雄：一臺超算越好用、用的人越多，越是“英雄”；超算用戶使用超算用得越好、越巧妙，越是“英雄”。
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