2019年4月，一張類似燃燒中蜂窩煤的照片傳遍全世界——這是人類歷史上首次得見“黑洞”的真容。

實際上，關于黑洞的照片早在2017年4月歷經十余天已拍攝完畢，此后，便是將來自全球8架射電望遠鏡收集到的數據進行密集運算，其容量達到每晚2PB(1PB=1000TB=1000000GB)

時針再往前，1997年和2016年發生過兩次為人印象深刻的“人機大戰”，由IBM開發的“深藍”和由Google開發的AlphGo最終分別戰勝人類大腦，獲得圍棋比賽的勝利。

執行這些龐大計算的主角有同一個名字——超級計算機。

從最早計算容量僅以K為單位，用于科研和國防事業，到如今能夠“算天算地算人”，并在世界上排名領先，超算在中國剛好度過了40年。

最新發布的全球高性能計算機TOP500排行榜中，來自中國的“神威·太湖之光”和“天河二號”分列三、四位。關于下一代E級計算（1 EFlops，百億億次計算，每秒鐘 可執行 1018 次雙精度浮點計算 ）的研發世界競賽早已開始。

這項被稱為“國之重器”的技術，在經歷兩次國際上的“出口管制”前其實便已開啟國產替代步伐，如今，在新技術架構的窗口期，更快構建超算良性生態系統，尋找新一代計算平臺的落地方向，正成為重要課題。這對全世界高性能計算人都意味著新的機會和挑戰。

“中國超算可能是繼高鐵之后，另一個可以走向世界輸送服務的高新技術。”國際超級計算濟南中心主任張云泉這樣向21Tech說道。

從無到有的超級計算

在人類文明還沒出現文字時，結繩記事作為早期的計數方式，存在過一個漫長的時期。足見計算的歷史發展之悠久。不過計算的高速發展，是從近半個世紀以來開始的。

超級計算早期，是以美國IBM公司為代表的時代。

上世紀60年代左右，美國出于國防安全需要開始推動高性能計算的發展，IBM 7030也是在那時候誕生。

在商用側，IBM介入的領域是人口統計，隨著行業技術環境和產業需求的變化，而在此后相繼提出“電子商務”、“智慧星球”、“認知商業”等一系列轉型概念。

“早期IBM做的計算機，基本就屬于超算。”國家超級計算深圳中心主任馮圣中介紹道，實際上超算可以理解為是今天計算機技術的源頭。在超算這類大型機應用成功后，才逐步將相應功能下移到PC、手機等更小型化的終端中。

作為第一代超算人，香港大學資訊科技服務助理總監關永強讀大學的70年代，壓根還沒有計算機相關專業。若不是解決工程問題的科研需要，他不會跑到港大電腦中心做兼職。隨后的留院任教讓他見證了超算從學術界起步探索的階段。

這也是超算早期發展的兩大主要著力點：前沿科研和國防軍事。基于此，也令超算中心的主要運營模式為，政府資助支持、國防科研單位主導。

20世紀70年代則開啟了全球超算大規模發展的大時代。

早期處于技術領先的是美國公司ControlData和Cray Research，而日本自80年代開啟大規模政策補貼和產業支持，一度與美國不相上下。這導致2002-2004年間，日本超級計算機“地球模擬器”曾連續5次奪得全球超級計算機TOP500排行榜桂冠。

“地球模擬器”，圖源：中國天氣網

這期間，1978年中國啟動首臺巨型機“銀河-I”研制，并于80年代初正式誕生落地。隨著技術架構走向并行計算模式，21世紀開始，全球超算格局開始有了變化。

2010年，由國防科學技術大學研制的中國首臺千萬億次超級計算機“天河一號”首次拿下全球超級計算機TOP500第一名；2013-2017年間，中國相關機器持續盤桓在超算榜首位置。

“超算拿第一后，對整個世界的超算生態都會帶來影響。這意味著全球地位會提升、合作機會變多、自身水平也會提升。”張云泉向21Tech解釋道，比如會提前觀察到一些現象或困難，也會帶來一些新的科學發現，尤其在綜合國力和科學發現實力上，將起到支撐作用。

馮圣中則介紹，在新材料的研發上，超算就發揮著重要作用。“目前超算可能有30%的計算能力都在支持類似材料設計的工作。”他進一步表示，一些看起來“腦洞大開”的需求，比如是否存在支持熱縮冷漲的材料、石墨烯等材料的設計應用等，都需要通過超算設備運行發現。

或許也正因如此，在中國的超算發展之路上，曾經歷過2次技術挑戰。

2015年2月，美國將國家超算長沙中心、國家超算廣州中心、國家超算天津中心、國防科學技術大學四家實體列入出口管制“實體清單”，禁止美國企業對其出口相關芯片等產品和技術；

2019年6月，美國商務部又將中科曙光、海光、江南計算技術研究所等五家實體列入出口管制“實體清單”。

目前，我國設立有6個國家級超算中心，主要包括神威、天河、曙光三大體系。2015年被針對的目標正是天河系相關機構。

不過近年來，中國超算系統在國產化替代方面都有不小的進展。如神威系自主研發的申威芯片，天河系自主研發的飛騰系列芯片等，都已相繼落地超算設備中。據21Tech了解，其中神威體系的國產化獨立研發已歷時幾十年，業內認為其自主可控做得更為徹底。

如今，超算的應用領域也早已不限于科研和國防，其“算天算地算人”說法的由來，也在于超算可以支持包括氣象觀測、石油勘探、電影渲染、精準醫療等領域。

應該說，計算歷經的百余年來發展，促成了今天我們得見這個龐大又繁復的世界。不止于此，借助如今的超級計算，我們還可以把觸角伸向更多想到卻碰不到、甚至反常識的領域。

生態構建之路

來自外部環境的改變，無疑加速了中國超算自主化進程以及自身生態系統構建之路。

馮圣中就坦言，芯片成本與量產程度密切相關。比如即使國產芯片與英特爾所產技術水平完全一致，但后者產量大因此成本偏低，這是前者目前并不太具備優勢的所在。

“生態是目前最大的短板，但也不是完全不可破。只是生態的完全建立不是一蹴而就，是有陣痛期的。”他如是說道。

更大的生態在于對產業面的拉動。張云泉告訴21Tech，如何讓超算良性發展并產生投資回報，是一個新課題。過去作為戰略投資，國家對于超算并沒有要求短期內產生巨大回報，“如何通過超算為中心，拉動產業鏈，讓生態系統良性建立起來。破解成功，超算就可以走上良性發展道路。”

以濟南中心而言，就從機構設計方面進行了新規劃。張云泉向21Tech介紹，到2020年，山東將建成國家超算濟南中心和海洋國家實驗室超算平臺兩大體系。其中后者建于青島海洋國家實驗室，主要針對高端科學計算領域，前者則主要面向商業計算。

張云泉續稱，濟南中心計劃建設超算科技園，愿景是打造算力工廠，希望未來計算能成為水電一樣的公共品，成為國家大科學裝置聚集的高地。“主要為了孵化包括新一代信息技術為重點的產業，包括AI、云計算、工業互聯網等。當然也有待于人工智能產業的健康發展，能成功與各行業實現智能+生態，這是我們的一個期待。”

更早建設的國家超算深圳中心則經歷了產業落地過程，從預期，到匹配，再到進一步升級的過程。

馮圣中介紹道，在2008年深圳中心部署初期，預想從四個層面梯級提供服務支持。其一是服務深圳市龍頭企業，包括中廣核、比亞迪、華為、中興等；其二是服務深圳市中小企業；三是服務深圳和華南的社會發展，如氣象、醫療、健康、環保等領域；四則是基礎科研。

但十年來的實踐證實，落地服務實際上出現了一些變化。“原來認為排在第三第四的需求，現在其實排在第一第二”，馮圣中表示，這十年來，深圳市的基礎科研機構越來越多，社會發展領域的需求非常旺盛，這是此前沒有想到的。

相反，大企業確實有高性能計算需求，但如華為等企業，實際上會自主搭建相關服務器和平臺，并自主研發軟件，自主消化了大部分需求。

而中小企業部分，目前需求仍舊不甚旺盛。原因在于這類企業會考慮到降低市場風險，因此對新技術的使用會以“跟隨”心態為主，同時小企業的技術突破相對大企業較為單一，因此需求實際上并不大。

只是最近一年來，一些看起來規模不算大的企業與國家超算深圳中心開始了愈發密集的合作，主要為人工智能類企業。

“這也是相互需要。中心這邊有想法，需要新的方向快速發展起來；AI公司也有發展需求。”馮圣中向21Tech笑稱，他本人與諸多合作的AI企業創始人還有校友的“親密”關系。

近期一則合作案例是，國家超算深圳中心與云天勵飛聯合發布AIOS操作系統。據介紹，該平臺發布的初衷是，實現對數據管理、數據標注、算法訓練以及算法應用進行全流程管理，并將此系統提供給各產業使用。

不過，已經成立十年的深圳中心，面對龐大的產業服務訴求，已經出現超期服役現象。馮圣中表示，超級計算機終究屬于電子產品，有一定生命周期。深圳中心目前面臨著爆滿并排隊的現象。

因此第二期計劃也就箭在弦上。他告訴21Tech，相比目前，第二期規模將提升1000倍，性能提升1000倍，但體積僅增加幾倍，能耗增加10倍。

“這意味著效能提高了100倍。二期現在緊鑼密鼓推進，除了機器研制，還有新機房建設都在快速推進；應用研發也不能落后，不能等機器來了再做匹配，要同步進行。”他介紹道。

不過馮圣中還提到一點發現。“對基礎科研越重視，對超算的需求就會越大。據我了解，美國一般高校科研院所大概30%的工作是與超算相關；但國內高校的平均水平不到10%，當然拔尖的如中國科大、清華、北大等比例會超過30%。所以從國家發展角度來說，超算應用還有大量工作要做。”

新計算世代

從底層基礎技術來看，全球半導體產業普遍面臨一個新的挑戰——摩爾定律接近失效。由此帶來的，是高性能計算技術發展速度將不復從前。

摩爾定律

與此同時，正在到來的5G時代，意味著更龐大的數據生產量和處理量，尋找破局之法是產業界在謀求的新課題。

張云泉就向21Tech坦言，最新TOP500榜單也透露出，浮點運算的增長速度和更新速度都在放慢，這意味著產業界對處理器的更新熱情不再高漲。因為這不僅意味著，即使更換服務器，也未必能達到與以前類似的效果，而并行度更大以后，程序編寫難度將更大，可靠性也成為難題。

“我們面臨下一個計算平臺是什么的問題，到底哪個技術能提高目前的半導體技術，是量子計算、還是生物計算、光計算等。革命性的變化在哪里，如何繼續讓計算速度能夠按照摩爾定律發展？”他說。

學界和產業界都在尋找新的突破口。中國工程院院士李國杰就指出，未來十年是體系結構的黃金時期，下一個十年將出現全新計算機架構的“寒武紀”大爆發，學術界和工業界計算機架構師將迎來一個激動人心的時代。

“傳統的發展都是圍繞摩爾定律研發，但是沒有人關注性能結構，以后的改進則要依靠結構改進。最近這幾年來看，盡管有很多提法，但目前還沒有看到新的革命性成果。”他如此表示。

新計算世代的車輪滾滾向前，將由誰接著扛起大旗，有待產業界共同謀求突破。