(4.1)--2021年中国高性能计算机发展现状分析.pdf

年中国高性能计算机发展现状分析摘要：根据 年 月发布的中国高性能计算机性能 排行榜的数据，对国内高性能计算机的发展现状从总体性能、制造商、行业领域和部署机构等方面进行了讨论分析，同时对未来发展进行了展望。：，：；引言在国际上，自 年起每年都会按 的测试性能公布在世界范围内已安装的前 套高性能计算机排行，这已成为高性能计算机研制生产、市场发展、应用交流和趋势分析预测的重要参考。年，中国软件行业协会数学软件分会首次发布中国高性能计算机性能排行榜，并在随后每一年的 月末或 月初公布当年我国高性能计算机性能 排行榜。在过去的十余年间，已由中国软件行业协会数学软件分会联合中国计算机学会高性能计算专业委员会与国家 高性能计算机评测中心发布的中国（）排行榜为我国高 性能计算机的研制及在众多领域的应用推广作出了显著的贡献。年 排行榜发布单位变更为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，发布单位于 年月修定了“中国高性能计算机性能 排行榜工作条例”，进一步细化明确了排行榜规则等细节。年 月 日，最 新 一 期 中 国 排行榜在北京召开的第三届中国超级算力大会上发布。本文基于最新排行榜数据，对我国高性能计算机的性能、制造厂商、体系结构、应用领域及部署机构等进行了讨论分析。性能分析与 年类似，本年度中国 排行榜对同一用户、同一厂商、同一地区安装的相似收稿日期：；修回日期：通信作者：张云泉（）通信地址：北京市海淀区科学院南路号 ：，结构的计算机，在榜单中列出 较高的一套。改进的规则使得更多的系统或高性能计算用户得以进入榜单，能更好地反映我国高性能计算现状。年家单位联想、北龙超云和服务器供应商分别提交了，和总共 套新系统，相比 年的 套有较大幅度降低。联想提交的 套新系统合并了 套，合并后新增套，其他单位提交的新系统无合并。合并后的 套系统全部上榜，去年榜单留存 套系统。今年全部榜单中 个性能位置共有 套高性能计算系统。今年榜单前 名变化较大，新增的 套系统中，有套挤入前。年，由服务器供应商研制、部署于网络公司的 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 个 核，系统峰值为 ，实测性能为 ，应用领域为算力服务，是排名第的神威 太湖之光系统 测试值的 倍。由国家并行计算机工程技术研究中心研制、部署于国家超级计算无锡中心的神威太湖之光超级计算机下降为第名。神威太湖之光由 个机柜、总共 个超级结点组成，每个超级结点含 个 计 算 结 点，每 个 计 算 结 点 配 备颗 、核的申威 处理器，全系统总峰值性能为 ，实测性能为 。由服务 器 供 应 商 研 制、部 署 于 网 络 公 司 的 异构众核主机系统获得第名，包括 个 核，系统峰值性能为 ，实测性能为 ，应用领域为算力服务。由国防科技大学研制的部署于国家超级计算广州中心的天河二号超级计算机下降为第名。年 天 河 二 号 系 统 使 用 国 产 加 速 卡 进 行 了 升 级，系 统 峰 值 性 能 达 到 。排名第的系统是由服务器供应商研制、部署于网络公司的 异构众核主机系统，包括 个 核，系 统 峰 值 性 能 为 ，实测性能为 ，应用领域为算力服务。排名的系统均为峰值性能达 的系统。排名第的系统是由服务器供应商研制、部署于超算中心的主机系统，包括 个 异构众核处理器，每个处理器包括 核，全系统共有 核，其中控制核心频率为 ，从核频 率 为 ，互 连 网 络 为 。系统峰值性能为 ，实测性能为 ，效率达到 ，应用领域为科学计算。由北京超云和 联合研制的、部署于北京超级云计算中心的北京超级云计算中心 分区超级计算机位列第名，系统包括 个计算结点，共 个 同构众核处理器，单处理器为 核，频率为 ，总核数为 ，互连网络为 。系统峰值性能为 ，实 测 性 能 为 ，应用领域为算力服务。第名和第名系统是由服务器供应商研制、部署 于 网 络 公 司 的台 主 机 系 统，分 别 包 括 和 个 核，系统峰值性能分别为 和 ，实测性能分别为 和 ，应用领域均为算力服务。第名系统的峰值实测均超过了 。由北京超云和 联合研制的、部署于北京超级云计算中心的北京超级云计算中心 分区超级计算机位列第 名，系统包括 个计算结点共 个 处理器，单处理 器 为 核，频 率 为 ，总 核 数 为 ，互连网络为 。系统峰值性能为 ，实测性能为 ，应用领域为算力服务。完整的前 名榜单如表所示。年 榜 单 中 的 第 名、由 北 龙 超 云 和 联合研制的、部署于北京超级云计算中心的北京超级云计算中心 分区超级计算机下降到第 名，包括 个计算结点共 个 处 理 器，总 核 数 为 ，网络配置为 。实测性能为 ，系统峰值性能为 ，效率为 。年榜单中的第 名和第 名为由国防科技大学研制的部署于国家超级计算天津中心的天河一号 超级计算机以及部署在国家超级计算济南中心的神威级原型系统，今年分别下降到第 名和第 名。计算机工程与科学 ，（）表 中国 前 名系统排序研制厂商单位系统信息安装地点 核数 值 峰值 效率服务器供应商网络公司主机系统，异构众核处理器网络公司 国家并行计算机工程技术研究中心神威太湖之光，自主网络国家超级计算无锡中心 服务器供应商网络公司主机系统，异构众核处理器网络公司 国防科技大学天河 二 号 升 级 系 统（），国家超级计算广州中心 服务器供应商网络公司主机系统，异构众核处理器网络公司 服务器供应商超算中心主机系统，异构众核处理器 控制核心 ，从核 ，超算中心 北龙超云 北京超级云计算中心 分区，同构众核处理器 ，北京超级云计算中心 服务器供应商网络公司主机系统，处理器网络公司 服务器供应商网络公司主机系统，处理器网络公司 北龙超云 北京超级云计算中心 分区，北京超级云计算中心 今年由北龙超云和 联合研制的、分别部署于浙江云谷云计算有限公司和宁夏超算云的浙江云谷超级云计算中心 分区和宁夏超算云分区套系统分别排在第 名和第 名。前者包括 个 处理器，单处理器为 核，频率为 ，网络为 ，实测性能为 ，系统峰值性能为 。后者包括 个 处 理 器，单 处 理 器 为 核，频 率 为 ，网络为 ，实测性能为 ，系统峰值性能为 。联想新增的套系统均为深腾 超级计算机，其中套部署于网络公司用于大数据处理，套部署于高校。这充分说明了互联网和视频大数据处理在我国大陆的强劲发展势头。年上榜系统的 性能全部 超过 ，级系统已经基本成为高端计算的主流，其中 性能超过 的系统达到 套。年，作为入榜门槛的第 套系统是浪潮 集群，部署于深圳某实验室，应用领域为科学计算，网络类型为 ，实测性能为 ，系统峰值性能为 年所有 套入榜系统的 平均性能为 ，这是 年平均性能 的 倍。平均性能增速较 年的 有较大提升，主要归功于前 套系统的变化。年中国 系统与 年系统性能对照如图所示。图 年中国 系统与 年系统性能对照袁国兴等：年中国高性能计算机发展现状分析制造商分析 年，性能排名前 的共 套上榜系统由浪潮、联想和曙光等家厂商研制，排除并列系统套数后，联想以 套排名厂商份额继续排名第，浪潮 套排名第，曙光 套排名第，北龙超云、国防科技大学和国家并行计算机工程技术研究中心以，的装机数量分列第名，清华同方、联泰集群各有套系统上榜并列第。图给出了中国 计算机制造商的前 套系统统计。图制造商系统份额（前 套系统）以联想、曙光和浪潮为代表的国内厂商是我国 系统的主要研制单位，占据了绝大部分市场份额，年国外厂商的系统全部退出 榜单，为历史首次，年的榜单再次为全国产计算机，公司提交套安装在武汉大学超算中心 的 异 构 系 统，但 是 实 测 性 能 为 ，未能上榜，年 公司新增套系统上榜。本年度排行榜的一个特色是北龙超云联合 和 研制了套系统，为我国超算领域的多元化发展提供了动力。如图所示，从系统的性能份额来看，服务器供应商以 领先，联想占据 系统性能紧随其后，国家并行计算机工程技术研究中心的系统性能份额下降到，排名第，继续超过了国防科技大学的 和浪潮公司的。国家并行计算机工程技术研究中心和国防科技大学家单位的套系统占据了全部系统总性能的。国防科技大学、国家并行计算机工程研究中心为代表的国家队专注于数量少但世界领先的超大规模计算系统，而以曙光、联想和浪潮等为代表的商业化公司致力于 系统的市场化和普及化，这种两条腿走路的模式已经是并将依旧是相当长一段时间内我国 系统研制的常态。图性能份额（前 套系统）体系结构分析共享内存（）、分布式共享内存（）、大规模并行处理（）等多种体系架构百花争艳的时代已经过去，分布式集群计算系统（）成为当前高性能计算机的绝对主流，近年来进入 榜单的系统绝大部分都是采用集群架构。但需要注意的是，基于自主众核高性能处理器并采用专有架构的神威太湖之光系统更接近于传统的 架构，结合当前世界排名前 系统中有套采 用 架 构 的 事 实，可 见 在 高 端 系 统 中，仍是重要的体系架构。除神威太湖之光采用国产申威处理器，国防科技大学采用国产 加速卡，以及北龙超云的套系统使用的 处理器外，其余系统均采用了 系列处理器，处理器依然未出现在榜单中。专用加速计算部件首先出现在 榜单中是 年，由国防科技大学研制部署于国家超级计算天津中心的天河一号系统配备了 块 加速卡，并以此获得 的计算性能，成为该年最高性能的 系统。自 年起，基于 公司的 系列 的 系统登上榜单并逐渐成为加速计算的主流。基于 加 速 卡 的 系 统 出 现 于 年，并在 榜单中占据少量但稳定的份额。除去国防科技大学天河二号升级系统采用了 作为加速部件外，年有 套系统采用 或 等进行性能加速，这一数据较 年的 变化不大（如图 所示）。今年共有 套系统采用 计算机工程与科学 ，（），其中绝大部分用于与深度学习相关的计算。需要指出的是，已宣布停产 。图 加速计算部件及系统网络变化关于专用加速计算设备的应用，特别需要指出的是，无论是 ，还是 ，在上榜系统中最先都是由国防科技大学、中国科学院等科研类机构研制采用，且主要应用于基础科学研究；随后才被浪潮、曙光和联想等商业化公司采用，并在众多领域得到大规模应用。这无疑是一种良好的模式。体系结构上变化最为明显的是系统互连网络，千兆以太网 年占据了 套系统中的，而自 年以来连续年不再在榜单中出现，已经彻底退出历史舞台；相对应地，万兆以太网从年前的 到 年 的 再 至 年 的，仍然是高性能计算系统的绝对主流互连网络。需 要 注 意 的 是，这 里 的 万 兆 网 包 括 了 ，和最低性能的 共类，而在今年占据主流的是 和 。网络继续保持较高占比，相比 年的，今年的数据增长为 ，这一占比主要与榜单中用于科学计算的计算机数目相当。从需求和用户的角度，我们期望这两者能保持良好的竞争态势，以提供性能更佳、价格更优的互连网络环境。应用领域分析图给出了 年中国 中的行业 应 用 领域 的 性 能份额统计，包括算力服务（）、超算中心（）、人工智能（）、云计算（）、短视频（）、科学计算（）、金融（）、互联网（）、教育科研（）、能源石油（）、电子商务（）、政府（）、工业制造（）和电信（）。图 系统在不同应用领域的分布依据应用模式的不同，上述应用可进一步大致归并为大类：（）算力服务类。这是今年新增的一类服务，反映了算力经济的蓬勃发展。（）人工智能类。、深度学习计算模型等基于数据的（非数值类）应用。（）科学与工程计算类。主要指传统的数值计算类应用，通常是计算密集型（也有数据密集型）。（）信息服务类。频繁交互的互联网服务类应用。年度，算力服务类应用系统占据所有系统的，人工智能类应用系统占据，传统的科学与工程计算类应用系统与 年的 持平，信息服务类应用系统比 年有所微降，从 降到。袁国兴等：年中国高性能计算机发展现状分析部署机构分析 年中国 系统部署机构统计如图所示，互联网企业以 继续占最大份额，相比 年的 有所增加，其他企业（金融、制造业等）占，两者合计为，这一数据相比 年的 有所增加。科研院所和超算中心各占和，这表明用于科学计算的系统数量继续维持稳定，也充分说明了高性能计算机、高性能计算技术的主要应用还是在科学计算领域，并在多个领域尤其是互联网领域发挥着不可替代的作用。今年的系统中依然有用于视频公司，虽然相比 年的 有所降低，但依然将其单独列出，充分反映当前以短视频为代表的多种新兴应用的蓬勃发展。图 年中国高性能 数据 图 系统部署机构类别结束语 年中国高性能计算机继续呈现快速发展态势，无论是性能、应用领域还是应用规模均有着长足发展。图给出了 年共 年来 数据变化。可以看到，近 年来，第名系统受国家相关科研计划影响，其性能呈跳跃式发展；最后名系统性能则呈规律性指数增长，但是幅度逐 步减 缓，年 入 榜 性 能 预 计 在 。参考文献：，：，（）：（），（）：（），（）：（），计算机工程与科学 ，（）（）：（），（）：（），（）：（），（）：（），（）：（），（）：（），（）：（），：（）附中文参考文献：张云泉，袁国兴，孙家昶，等 中国高性能计算机 十周年回顾与展望 计算机工程与科学，（）：张云泉，孙家昶，袁国兴，等 年中国高性能计算机发展现状分析与展望 计算机工程与科学，（）：袁国兴，孙家昶，张林波，等 年中国高性能计算机发展现状分析 及 系 统 测 评 技 术 简 析 计 算 机 工 程 与 科 学，（）：袁国兴，姚继锋 年中国高性能计算机发展现状分析 计算机工程与科学，（）：袁国兴，姚继锋 年中国高性能计算机发展现状分析 计算机工程与科学，（）：袁国兴，姚继锋 年中国高性能计算机发展现状分析计算机工程与科学，（）：袁国兴，姚继锋 年中国高性能计算机发展现状分析 计算机工程与科学，（）：袁国兴，张云泉，袁良 年中国高性能计算机发展现状分析 计算机工程与科学，（）：袁国兴，张云泉，袁良 年中国高性能计算机发展现状分析 计算机工程与科学，（）：袁国兴，张云泉，袁良 年中国高性能计算机发展现状分析计算机工程与科学，（）：孙家昶，袁国兴，张林波，等，年中国高性能计算机性能 排 行 榜 ：袁国兴等：年中国高性能计算机发展现状分析