[读懂科学]自称“IT强国”…连超级计算机都造不出来

Published 20 Mar.2023 09:01(KST)

国家超算6号机本周发布招标公告
三家海外厂商激烈竞争…国产设备无法采购
市场过小技术与市场均未成形
“第四次工业时代关键基础设施为国家安全必须实现国产化”

我国一直以信息通信（IT）和半导体强国自居，但在第四次工业革命时代被视为基础基础设施的超级计算机方面，却仍无法实现自给自足。今年即将推进的国家超级计算机6号机引进项目，也几乎被外国企业垄断。在国内需求不足的情况下，独立的产业与技术未能发展。然而，以ChatGPT为代表的超大规模人工智能（AI），以及大数据、自动驾驶等领域，对数据处理速度和容量的需求正不断攀升。随着美中技术霸权竞争和供应链重组等因素，世界经济正走向集团化。有舆论指出，为应对激增的国内需求，更从国家安全层面考量，超级计算机国产化已是必要之举。

激增的超级计算机需求

高性能计算机（high performance computer，HPC）是由数百台以上的高性能计算机通过高速互连网络连接而成的物理集合体（硬件），并配合操作系统（系统软件）构成。其内置的中央处理器（CPU）和图形处理器（GPU）数量多达1万余个，大容量硬盘和内存也是必需配置。同时，与硬件同样重要的，还有能够高效利用资源的互连技术等软件。高性能计算不仅用于学术研究和公共服务，在各个领域的产业化应用也大幅增加。在气象·气候预测、粒子物理、天文宇宙、生物工程等大型计算领域，超级计算机是必不可少的研究基础设施。在无法进行实际实验的核聚变、核试验等国防、安全、能源领域也被广泛应用。近年来，超级计算与大数据、人工智能相融合，在精准医疗、农业技术、智慧城市、可再生能源、自动驾驶汽车等日常生活各个方面的需求正急剧上升。引发生成式人工智能热潮的ChatGPT等服务，也离不开超级计算机的支撑。

根据韩国科学技术信息研究院（KISTI）今年1月发布的资料，过去5年间，高性能计算的运算需求暴增了49倍，但资源量仅扩充了3.2倍，截至2020年仅能供应整体需求的四百八十分之一。2015年，年运算需求量为311拍级浮点运算（Peta FLOPS，PF，1PF=每秒可进行1000万亿次运算），供应9.7PF（约三十二分之一）；但到了2020年，面对15.1艾级浮点运算（Exa-FLOPS，1EF=每秒可进行100亿亿次运算=1000PF）的需求，却仅能提供31.5PF（约四百八十分之一）。一台1艾级超级计算机的性能，相当于全球80亿人口连续24小时不间断计算4年才能完成的运算量，却能在1秒内处理完毕；约等同于500万台普通台式计算机（200千兆级浮点运算）的总和。

甚至影响国家未来竞争力

在海外，超级计算能力已被视为左右国家未来竞争力的关键因素，各国正积极扩充相关能力。过去10年间，全球排名第一的高性能计算机运算性能，从2013年的34PF级提升到2022年的1.1EF级，提升了32倍。截至去年11月，全球总计算性能为4.9EF；按国家来看，美国为2132PF，日本624PF，中国514PF，芬兰321PF，意大利253PF，依次排位。韩国则以89PF位居第8。尤其是美国率先引进了全球首台1艾级超级计算机，走在前列。安装在美国能源部（DoE）下属橡树岭国家实验室的“Frontier”，在去年上半年国际超级计算机性能评估（ICS）中，记录下1.1艾级的性能。美国还在推进引进更多艾级超级计算机，如阿贡国家实验室的“Aurora”（2EF）以及橡树岭实验室的“El Capitan”等。我国的国家超级计算机5号机“Nurion”，在2018年以25.7PF的性能位居世界第11位，但目前已跌至40名开外。即便如此，由于需求不断增加，其月平均稼动率在2022年已高达99.44%，使用率也达到74.2%，几乎满负荷运转。

“需要自主技术开发”……国产化之路依然遥远

问题在于，目前几乎不可能采购国产设备。随着美中贸易冲突和技术霸权竞争、日本对半导体材料·零部件·设备的出口限制以及全球供应链重组等因素，出于国家安全考虑，实现超级计算机自给自足的必要性日益提高。然而，国内高性能计算机市场规模仅占全球市场的2%左右，企业并不愿意投入。CPU和GPU几乎全部依赖英特尔、AMD等国外厂商，不仅如此，能够构建大规模运算的并行处理环境并开发应用程序（App）的企业也几乎没有。因此，据悉本次招标可能仅有三家外国企业参与：一是美国传统强者HPE Cray，二是虽为中国资本但承接了IBM技术实力的联想，三是欧洲强者法国Atos。

韩国并非没有进行国产化尝试。上世纪90年代，在三星、LG等4家民营企业参与下，曾推进“主机计算机”开发项目，但由于国内市场狭小而被迫中止。2011年颁布了《高性能计算机法》，开始搭建基础。自2016年起，韩国宣布投入1000亿韩元，自主开发高性能计算机。当时设定的目标是：到2020年开发出1PF级以上系统，到2025年开发出30PF级系统。最终共投入330亿韩元，开展了系统构建能力和定制化能力的提升研究。另外，自2020年起，韩国又启动为期5年的项目，投入490亿韩元推进自主CPU开发。

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科学技术信息通信部原始技术科公务员An Heenam表示：“美国和日本在开发并使用自主超级计算机时，投入的预算以万亿韩元计。我国产业界对超级计算机的需求也在不断扩大，企业自主构建的努力也在增加。”这意味着国产超级计算机实现商业化的市场条件正在逐步成熟。KISTI国家超级计算本部部长Lee Sik也指出：“过去舆论普遍认为，像汽车一样买来用就行，没有必要自己开发”，但“随着需求增加，国内市场环境正在改善，从应对经济集团化等角度来看，从国家安全层面也需要为超级计算机自给自足实现长期技术自立”。他接着表示：“我国虽然能生产存储器和硬盘，但CPU、GPU等仍需进口，在互连技术和软件构建能力方面也较为薄弱。既然已经证明百分之百依赖国外存在风险，现在正是必须开展自主技术开发的时刻。”

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本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。