美国高性能计算发展分析

美国高性能计算发展分析
作者：暂无
来源：《上海信息化》 2017年第1期
高性能计算机是一个国家科技创新能力的象征和高技术领域的战略制高点。

当前，美国正为突破摩尔定律后的高性能计算研发探索新途径，全面提高硬件水平和加强数据处理能力，进一步巩固并确保未来数十年美国在高性能计算领域的全球引领地位，为经济发展与科学发现提供最大程度的支撑服务。

为此，美国政府频频出台相关政策，推动高性能计算的发展。

美国领跑全球超级计算机发展
美国高性能计算在全球范围内具有绝对竞争力，2016年11月公布的全球超级计算机500强榜单中，美国入榜的超级计算机数量达到171台，占全球超级计算运算能力总和的33.9%；全球排名前十的超级计算机中，美国占据五席，“泰坦（Titan）”、“红杉（Sequoia）”、“科里（Cori）”、“米拉（Mira）”和“三一（Trinity）”分列第三、第四、第五、第九、第十位；从公司角度看，美国惠普公司生产的超级计算机最多，达到112台（如果算入该公司收购的硅图公司生产并入榜的超级计算机，总数达到140台）；从处理器使用看，美国的优势也很明显，有462台超级计算机使用英特尔公司的处理器，使用美国国际商用机器公司（IBM）和超威半导体公司（AMD）处理器的数量分别为22台和7台。

此外，美国的优势还表现在处理器、互联网络、系统软件、并行编程环境等核心技术。

高性能计算新政频出
近两年，美国政府在高性能计算领域“频频出招”，对高性能计算的研究、开发和部署方提出详细规划。

2015年7月，美国启动《国家战略计算计划》（National Strategic Computing Initiative，NSCI），目标是在2025年以前建造出世界上速度最快的高性能计算机，每秒计算峰值高达百亿亿次，比目前领先的高性能计算机计算速度快30倍左右，开启超级计算机（exaflop）时代。

美国在《网络与信息技术研发计划》（NITRD）中也明确进一步加大对于高性能计算的资助力度，2016年4月，NITRD计划公布2017财年预算补充说明，新设面向高容量计算系统的使能研发（EHCS）和高容量计算系统基础设施与应用（HCSIA）两项战略优先领域。

具体来说，《国家战略计算计划》侧重三个方面的研究与应用：一是百亿亿次计算系统的研发与交付，包括部署下一代高性能计算系统，美国橡树岭、阿贡与利弗莫尔国家实验室合作打造CORAL系统；研发下一代高性能计算方法、算法及系统软件，设计先进架构并开发硬件；推进计算与数据应用，促进科学与工程及相关的软件技术；针对下一代计算系统和网络的健壮性与安全性制定相关方法、标准和指南，评估下一代计算系统结果的可靠度与不确定性。

二是建模仿真技术与数据分析计算技术的融合，涵盖促进先进高性能数据分析能力的设计与开发，支持软件和数据科学的生态系统，增强建模仿真与数据分析计算基础技术的融合；打造具备高互操作性、协作性和数据密集的高性能计算生态系统。

三是后摩尔时代的计算系统研发路径，涉及超导、神经形态和机器学习的深度研究；打造关键使能平台，推动新型计算平台和设备架构的开发与测试；加快后摩尔定律研究，扩大量子计算、纳米技术和其他相关技术研究力度；针对未来计算技术的物理与材料特征，推进测量科学。

与《国家战略计算计划》相呼应，面向高容量计算系统的使能研发聚焦量子信息科学、超导超算、生物计算等未来计算技术，以及并行编程环境、系统软件与应用、系统架构、能耗问题等现实问题的研究，预计在2017年，优先研究领域包括极限规模计算，以及高容量计算系统
软硬件、计算机科学与系统架构；高容量计算系统基础设施与应用主要考虑到高性能计算对网络安全、人脑智能、大数据、气候科学、纳米技术、材料基因组计划、先进制造等国家优先领域具有重要的影响，2017年将优先研究领导级与生产级高容量计算系统、改善高容量计算系统应用以及高容量计算系统基础设施建设。

组织架构与机构明晰有序
从《国家战略计算计划》可以看出，美国对高性能计算的战略布局有着清晰的机构设置与责任分工，不同机构分别承担总体领导、基础研究与开发、应用部署的功能。

美国能源部（DOE）、国防部（DOD）和国家科学基金会（NSF）承担NSCI总体领导职责。

其中，能源部下属的科学办公室与国家核安全署联合开展“通过百亿亿次计算实现先进仿真”项目，国家科学基金会的着力点是在推动科学发现进展、打造高性能生态系统等方面发挥核心作用；国防部将重点研发数据分析型计算。

高级情报研究计划署（IARPA）和国家标准与技术研究院（NIST）担当基础研究工作，前者重点研发面向未来的计算范式，实现标准半导体计算技术的替代方案，后者重点推动测量科学的发展，为未来计算技术提供支持。

两所基础研发机构将与部署机构开展协作，实现研发成果的有效转化，为联邦政府的各种需求提供支持。

国家航空航天局（NASA）、联邦调查局（FBI）、国立卫生研究院（NIH）、国土安全部（DHS）和国家海洋与大气管理局（NOAA）担任主要部署机构的角色，根据各自需求提出特殊设计要求，这些机构将参与新型高性能计算系统、软件和应用的早期设计及协同设计，将与自身任务相关的具体需求反映到设计中。

此外，NSCI设立执行理事会，由科学技术政策办公室（OSTP）和管理与预算办公室（OMB）担任联合主席，以协调NSCI的研发和部署活动，确保问责制的实施。

加快高性能计算落地应用
目前，美国高性能计算已在天气预报、基因测试、药物研发等方面展开应用。

如2016年年初，美国国家大气研究中心（NCAR）和国家海洋与大气管理局分别宣布更新和升级相关研究基础设施，全面启用新一代超级计算机，加快推动大气与气象学及相关学科的研究。

国家大气研究中心将“夏延”（Cheyenne）作为下一代大气和气候科学研究用的超级计算机，并在2017年投入运行，满足更高精度的预报需求，为提前预测水文状况、地磁风暴、短时雷暴，准确模拟空气污染、森林火灾和地下流体运动，以及预报全球和区域气候变化等提供有效支持。

国家海洋与大气管理局计划对超级计算机组“卢娜”（Luna）和“瑟奇”（Surge）进行升级更新，强化对天气、水文和气候预报的支撑。

美国高性能计算应用领域企业对于高性能计算的需求也十分旺盛，汽车制造、石油等行业的龙头企业已引入高性能计算，辅助研发与经营决策。

可以预见，未来社会对于信息处理能力的要求越来越高。

由于政府的推动，美国在高性能计算领域的研发将更加深入，高性能计算应用也将从传统的科学研究、工程计算走向更广阔的应用领域，先进制造、金融服务、精准医疗等领域对高性能计算的需求将迅猛增长。