我国高性能计算发展对策.docx

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我国高性能计算发展对策

我国高性能计算发展对策

计算科学（ComputationalScience）是应用高性能计算能力预言和了解实际世界物质运动或复杂现象演化规律的科学，它包括研究对象的数值模拟（或工程仿真），以及模拟所必需的高效计算机系统（包含处理器性能高、访存快、高带宽、低延迟、I/O快、内存大的高效计算机，以及配套的网络、存储、可视化等）和应用软件（包括物理建模、物理参数、计算方法和先进算法、软件实现等）。

如果说计算机是躯体，则应用软件是心脏，数值模拟应是灵魂。

    今天，计算科学已经成为科学技术发展和重大工程设计中具有战略意义的研究手段，与传统的理论研究和实验室实验一起，成为促进重大科学发现和科技发展的战略支撑技术，是提高国家自主创新和核心竞争力的关键技术因素之一。

美国等西方国家认为计算科学关系国家命脉，将其作为国家战略给予高度重视。

比如美国在国家层面，通过在1983年实施“战略计算机（SCP）计划”、1993年实施“高性能计算与通信（HPCC）计划”和1996年实施“加速战略计算创新（ASCI）”计划及随后的“先进模拟和计算（ASC）”计划，在激光聚变、能源、地球环境、气候和天气预报、飞行器设计、材料设计、药物设计、催化作用、燃料燃烧、臭氧消耗、空气污染、蛋白质结构分析、天体物理、工业制造等领域，获得了一系列重大科技成就，促进了高科技国民经济的持续发展，并且获得了基础科学研究的强大创新能力，同时，直接推动了高效计算机运算速度从每秒十亿次提升到每秒千万亿次，为今天的高技术霸主地位奠定了重要基础。

2005年6月，美国总统信息技术咨询委员会（PITAC）提交了《计算科学：

确保美国竞争力》报告，再次将计算科学提升到国家核心科技竞争力的高度。

    2006年2月，我国发布了《国家中长期科学和技术发展规划纲要》（2006-2020年）（以下简称《纲要》），提出在未来15年，应对挑战，超前部署重大专项、前沿技术和基础研究等内容，全面提升我国的科技自主创新能力，以期使我国在2020年前建设成为一个创新型国家。

加速发展我国计算科学，对实现国家中长期科学和技术发展规划纲要目标，对提高我国经济建设、国家重大工程、基础科学研究等科技领域的核心支撑能力，具有十分重要的战略意义。

    在此背景下，香山科学会议于2008年10月7~9日，在北京组织召开了主题为“我国高性能计算的发展与对策”的第329次学术讨论会。

会议的目标是：

研究探讨我国高性能计算的发展之路，从应用角度重点探讨和凝练科学研究与工程应用中对高性能计算的需求和关键问题，特别是根据《纲要》，研究探讨国家重大项目和若干基础科学问题中的高性能计算，以加强相关领域的交流与合作，促进具有自主知识产权的高水平应用软件的开发，推动我国高性能计算的发展。

北京应用物理与计算数学研究所贺贤土研究员、大连理工大学钟万勰教授、国家计算流体力学重点实验室张涵信研究员、中国航天空气动力技术研究院崔尔杰研究员担任会议执行主席，来自国内30多个单位的40多位专家学者参加了会议。

    贺贤土研究员作了《加速发展计算科学，提高我国核心竞争力》的主题评述报告，强调“制定计算科学的国家发展战略、提高我国自主创新能力”的必要性和迫切性。

崔尔杰研究员、张涵信研究员、钟万勰教授、陈凯先研究员、郝柏林研究员、王鼎盛研究员、朱少平研究员、陈迎春研究员、王斌研究员、陈运泰研究员、葛蔚研究员、符松教授、迟学斌研究员、袁国兴研究员、莫则尧研究员、郑耀教授分别作了“航空航天技术发展中的CFD”、“计算流体力学在航空航天应用中的进展”、“自主CAE软件研发及在工业装备结构分析中的应用”、“基于生物复杂分子体系的新药物设计和分子模拟”、“创建面向生物学的高性能计算环境”、“凝聚态物理中的高性能计算”、“科学计算：

基于应用的认识”、“高性能计算在大型客机机翼设计中的应用”、“地球系统模式与高性能计算”、“高性能计算与地震科学”、“多尺度离散模拟并行计算的探索与应用”、“面向工程应用的湍流模拟”、“科学计算研究的重要支柱－高性能计算环境”、“开发研制自主知识产权的高性能计算软件面临的问题”、“研制高性能数值模拟应用软件的新途径”以及“在国内推动高性能应用计算的体会与建议”的专题报告。

会议围绕“国家重大项目和若干基础科学问题对高性能计算的需求与应用”、“高性能计算的关键科学问题和技术难关”、“发展我国高性能计算的对策与建议”三个中心议题开展了广泛、深入的交流，与会专家就“制定我国计算科学的国家发展战略、提高我国自主创新能力”进行了热烈、平等、自由的学术讨论。

    一、计算科学是国家科技创新的战略支撑手段，发展面临巨大挑战

    经过几十年的不懈努力，我国计算机已获得很大发展，“神威”、“银河”和“曙光”相继取得突破，我国继美国、日本、欧盟之后，成为具备研制百万亿次以上能力计算机的国家。

    借助于数百万亿次乃至千万亿次量级以上规模的高效计算机和应用软件，我国将有可能对复杂系统在各种实际条件下的性态和行为进行比较精确的模拟和预测，使得这些复杂系统的原理突破和实际设计可以达到美国等发达国家的先进水平，大幅度提高我国的自主创新和核心竞争力，缩短国际差距。

这样的复杂系统广泛存在于国家经济建设、国家重大工程、前沿基础科学研究等重要科技领域，尤其是在《纲要》的重大专项和重大研究计划中。

    计算科学一直是不可或缺的研究手段，在惯性约束聚变（ICF）以及高能量密度物理理论研究中，计算科学已经和正在发挥不可替代的重要作用。

“十二五”期间，在我国ICF研究领域，几乎所有关键的科学原理突破和优化设计均需要数百万亿次以上高效计算机的计算。

    在地球环境科学和气象科学研究中，计算科学使我国发展了独具特色的四代地球气候系统模式，可以模拟人类活动对全球变化的可能影响以及未来气候的可能演变趋势；通过同化各种观察资料能对全球范围作3~10天的中期天气预报，在全国范围对剧烈天气事件如暴雨、台风、沙尘等作24~48小时短期预报；可以模拟江河湖泊的污染扩散和污染危害。

但是，对于提升国际核心竞争能力的全球气候变化研究与预报、极端事件的预测预防具有极其重要作用的高分辨率耦合地球系统模式框架（包括大气环流、大洋环流、陆面过程、海冰、大气化学、海洋生物、动态植被以及碳、氮循环过程等），对于全球和区域嵌套耦合的高分辨率数值气候预报，如全球气候变化，温室效应等，没有数百万亿次量级以上规模的高效计算机和相关应用软件是无法进行的。

    在航空航天领域，《纲要》明确的重大力学问题、高超声速科技工程、大型飞机工程中，计算科学对复杂空气流动力学原理的精细认识、飞行器布局设计、机翼等关键部件的参数设计和性能优化、气动声学和气动光学、返回舱黑障区电磁耦合、流固耦合、发动机内流、多学科设计优化等方面，具有极其重要的支撑作用。

在美国和欧盟大量采用高性能数值模拟提升飞行器设计能力的今天，体现我国核心竞争力的关键技术和优化设计也必须依赖于计算科学。

    在生物医药和生命科学领域，计算科学可以完全融入新药的研发过程，通过虚拟筛选从实验数据中发现新的活性化合物，从活性化合物出发寻找靶标并进行验证和确认，通过复杂生物大分子的分子动力学模拟研究新药靶标的构象空间与作用机理；计算科学可以有效地促进生命科学探索，包括“蛋白质－蛋白质”和“蛋白质－核酸”的识别和组装、蛋白质折叠和构象变化、基因识别和缺陷修复、量子生物化学和DNA链等，大大缩短研制周期，节省研制经费。

    在重大工程与装备研究中，计算科学可以大幅度提升结构力学的分析能力，促进新材料的研制和过程设备的优化设计，可以通过燃料燃烧的化学反应及复杂流动的精细模拟来优化设备，降低成本，提升竞争力。

    在前沿科学研究领域，计算科学已经成为应用领域新型超导与磁性材料、纳米材料、半导体材料等研制中的必要手段，是研究材料老化、脆裂、疲劳和灾难性失效以及理解和把握材料物性的关键技术；已经成为宇宙起源、暗物质与暗能量的分布、恒星爆炸、黑洞等天体现象、基于量子场论的物质基本结构等方面必需的研究手段。

在美国和欧盟，前沿科学探索的创新成果大量借助于计算科学。

    因此，计算科学在我国重大科技创新及《纲要》关注的国防建设、国民经济建设、前沿高技术和基础科学问题中，尤其在能源、地球环境科学和气象科学、航空航天、药物研制与生命科学、重大工程与装备、若干前沿科学等研究领域中，具有广泛的迫切需求，是国家科技创新的主要研究手段之一。

    但是，与西方先进国家相比，我国在计算科学领域还存在巨大的差距，要使计算科学在实际应用中真正成为科技创新的主要研究手段，我国面临巨大挑战。

（1）在国家战略层面，缺少对计算科学的宣传、引导和鼓励，对计算科学战略地位、计算科学的整体水平、深度和广度缺乏足够的认识，计算科学的多学科交叉人才严重短缺。

实际上，除了少数几个国防建设和国民经济建设的重要单位拥有各自的高运算速度的计算机资源并从计算科学中得到科技创新能力之外，高等院校和科研院所的大量研究人员对计算科学的使用完全处于自发行为，使用个人电脑或小规模机群来开展研究，偏重于学术论文的发表，无法真正意识到计算科学对提升创新研究水平和核心竞争能力的重要作用，很难得到创新研究成果。

在此影响下，科研评价体制非常不利于计算科学的多学科交叉型人才的培养，实际应用领域已经出现了该类人才的严重短缺。

长期以往，在美国和欧盟等发达国家越来越依赖于计算科学开展创新研究的同时，我国的差距将进一步拉大，大大制约决定国家核心竞争力的科技创新，后果是极其严重的。

（2）没有从国家战略层面对计算科学统一规划，甚至片面地以高性能计算机的发展规划替代计算科学的发展规划。

计算科学是多个领域交叉融合的大学科，必须同时拥有高效计算机系统和应用软件，涉及面广。

也正是由于这个特点，计算科学才可以成为国家科技创新的战略支撑手段。

对于这样的大科学，没有国家战略层面的协调发展，单靠高效计算机的发展显然是无法完成的。

高效计算机再好，如果没有应用软件，也只能是一个摆设，难以在国家科技创新中发挥作用。

    （3）体现国家创新能力、高水平自主知识产权的计算科学应用软件严重短缺，软件的发展长期落后于计算机硬件的发展，无法承载计算科学提升国家科技创新能力的任务。

计算科学应用软件是在高效计算机上实施数值模拟或工程仿真的工具，没有自主创新的高水平应用软件，就没有我国自主创新的高性能计算。

    计算科学应用软件作为国家战略科技创新的基本工具，直接服务于国家重大科技项目，专业性和多学科交叉性非常强，需要国家的战略规划和长期稳定的经费资助，这完全不同于市场运作的商业软件。

例如，流体力学计算科学应用软件就必须由流体力学专业人员提供物理模型、物理参数和计算方法，通过与软件人员通力合作、不断地验证与确认才能成功研制，而市场运作的商业软件通常可以由商业方式运行操作。

我国市场型商业软件方面，投入巨大，但是，忽略了高性能计算应用软件，甚至将其等同于市场商业软件，完全采用市场评价机制加以统一衡量。

于是，我国自主创新的应用软件由于缺少国家层面的统筹安排和经费投入，长期处于自发状态，甚至彻底放弃，专业人才极其短缺。

    与我国形成鲜明对比，美国通过国家战略发展规划，统筹研制计算科学应用软件，并强调该类专业软件去密、删减和包装向商业软件转换，并通过商业软件的输出，控制其他国家的软件研制能力和科技创新水平，抢占国际创新技术的制高点。

在此背景下，有人认为，通过引进国外的商业软件就可以在高效计算机上满足我国的计算科学需求，从而进一步将计算科学等同于计算机发展。

这种认识是极其片面甚至非常有害的。

我国化大量经费从国外购买的大量应用软件是不可能获得源代码的，价格昂贵且关键应用受到限制，不可能模拟我国自主创新所必须突破的基础原理和核心关键技术，也很难对应用软件进行改进和发展。

在当前我国应用软件发展极其不利并无法直接满足实际需求的国情下，如果投入巨资购买商业应用软件，不重视国家层面的统筹规划和大力发展自主知识产权的计算科学应用软件，在不久的将来，我国必定会成为计算科学应用软件的沙漠，拱手将计算科学的应用领域的科技创新能力送给美国等发达国家，必将严重阻碍创新型国家的建设。

    （4）国产计算机系统缺少国家层面的统筹规划，片面地追求理论峰值速度，在国家层面还没有和实际应用形成良性循环。

我国百万亿次量级的计算机设计没有与实际应用的密切磨合，只能跟踪并仿制美国同类产品，难以原始创新并抢占国际制高点，难以在实际应用中实现高效率和高稳定。

目前，国际TOP500排名超过百万亿次的计算机均是在国家层面统一规划、密切结合实际应用而研制的大规模高效计算机（MPP），它们在效率、通信、内存和I/O等多个方面，普遍优越于机群系统（Cluster），并引领国际高效计算机的发展趋势，促进应用领域的原始创新。

但是，我国国产计算机在国家层面，还缺少面向解决对国家有重要意义最具挑战性问题能力的计算机整体发展规划，缺少面向实际应用的科学评价机制来替代当前的理论峰值或LINPACK的TOP-500排名机制，缺少和实际应用的捆绑式发展，这是非常不利的。

    在以上四个问题中，国家层面的整体战略规划至关重要，否则，在美国、日本和欧盟均将其视为国家发展战略而统一规划的形势下，我国计算科学难以在各个领域实现整体协调发展，将日益拉大、削弱我国在国民经济建设、国家重大工程、基础科学研究等领域的自主创新能力，直接影响我国创新型国家的建设。

    二、制定我国计算科学的国家发展战略

    为了加速发展我国计算科学，提升国家自主创新能力和核心竞争力，针对我国计算科学当前面临的诸多不足，借鉴美国等发达国家的成功经验，我们建议：

    在国家科技部建立由部级领导负责的国家领导管理机构，设立计算科学专家委员会，统一领导、组织和管理我国计算科学的如下发展问题：

（1）提出我国计算科学的整体发展战略和目标，制定中、长期发展规划。

根据国际计算科学发展趋势及我国计算科学的发展现状和存在的问题，密切结合国民经济建设、国家重大工程、前沿科学研究的实际需求，充分征求不同领域专家的意见，提出我国计算科学的整体发展战略和目标，制定中、长期发展规划，由相应的国家机构组织实施。

（2）加大力度开发、研制自主创新计算科学应用软件。

美国等发达国家的成功实践表明，在高度并行且拥有成千上万个处理器核的计算机系统以及多学科的实际应用中，高置信度应用软件直接关系到计算科学能否在科研与工程设计中发挥作用，但是，由于物理建模、物理参数、计算方法和算法、软件实现等方面的高复杂度，它们的研制周期通常长于硬件（平均五年更新一代），且需要长期、稳定的国家经费支持。

其实，在美国的ASC计划中，计算科学应用软件的投入是整个计划最主要的经费开支。

因此，我国应该尽快改变目前投入严重不足、应用研发力量薄弱分散、跨学科综合人才缺乏、研发单位少、学术交流渠道少的局面，瞄准国防建设和国家安全、国民经济建设、国家重大工程、前沿基础科学等方面具有重大挑战性问题，制定规划，确保计算科学应用软件和国产高效计算机的协调、平衡发展。

    （3）大力加强研制致力于解决国家有重要意义挑战性项目（如能源、航空航天、气候模拟、天体物理、纳米技术和前沿基础研究等）能力的高效计算机系统。

这些挑战性项目需要处理器性能高、访存快、高带宽、低延迟、I/O快、内存大这种能力很强的高效计算机系统，因此，必须以实际应用为牵引，长期规划，集中力量研究和研制高性能微处理器、体系结构和互联技术、操作和编译系统、编程环境，以研制这种解决最具挑战性问题能力的计算机作为我国计算机的发展方向，而不是集群计算机，只有这样，才能实现计算科学所需的高效计算机系统技术的全面提升，这也将有助于推动大众型计算机（例如：

集群系统）的技术提高。

    （4）建立几个国家和部委共管的国家级超级计算中心，通过提供高性能计算资源，宣传、引导和鼓励科研院校运用计算科学推动科技创新。

计算科学应用需求集中的某些地区，面向地区或行业建立超级计算中心，提供高效计算的公共服务，可以防止用户单位单独购买造成资源分散、技术支持薄弱和应用效率低等弊病。

超级计算中心作为高性能计算机研制者和实际应用用户之间的桥梁，在提供计算资源的同时，加大研发力度，研制高性能数值模拟支持软件框架、平台和工具箱，使得应用软件更好地发挥计算机的潜在性能，促进实际应用和高效计算机之间的良性循环发展，这是计算科学推广、发展的好模式，国家应该给予持续投资和长期支持。

    （5）大力培养计算科学的多学科交叉型人才。

计算科学涉及应用科学、科学与工程计算和计算机科学等多个学科，高等教育应该建立相关学科，建立合理的评价机制，加大经费支持，鼓励和提高研究人员从事计算科学的积极性。

    我们相信，在国家战略层面的统一规划下，我国计算科学将迎来崭新的局面，使得高性能计算真正成为我国国防建设与国家安全、国家经济建设、国家重大工程、基础科学研究等尖端科技领域的战略支撑能力，为建设创新型国家做出更大、更好的贡献。