摘 要 從1983年中國(guó)第一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)“銀河-I”研制成功到如今“天河”“神威”系列超級(jí)計(jì)算機(jī)排名世界第一，40多年的中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)研制史輝煌亮眼。但是，一些發(fā)展中的問(wèn)題還沒(méi)有被足夠重視，一些研究的不足還需要關(guān)注和探討。對(duì)中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)的自主創(chuàng)新、軟硬件、應(yīng)用、能耗、人才等方面做試探性反思，對(duì)中國(guó)正由“超算大國(guó)”向“超算強(qiáng)國(guó)”發(fā)展，特別是在中美在該領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)白熱化的今天具有一定意義和啟示。

　　關(guān)鍵詞 超級(jí)計(jì)算機(jī) 自主創(chuàng)新 銀河-I

　　超級(jí)計(jì)算機(jī)(Supercomputer)，又稱(chēng)巨型計(jì)算機(jī)①，是指在一定的生產(chǎn)工藝條件下，采用最先進(jìn)技術(shù)、工藝設(shè)計(jì)生產(chǎn)出來(lái)的功能最強(qiáng)、運(yùn)算速度最快、存儲(chǔ)容量最大、檔次最高、面向科學(xué)與工程的電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[1]。超級(jí)計(jì)算機(jī)通常由成千上萬(wàn)個(gè)處理器(機(jī))組成，具有巨大的數(shù)值計(jì)算能力和數(shù)據(jù)處理能力，能計(jì)算普通個(gè)人計(jì)算機(jī)和服務(wù)器不能完成的大型復(fù)雜課題。工業(yè)界的普遍標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為，浮點(diǎn)運(yùn)算速度為每秒1億次以上的數(shù)字式電子計(jì)算機(jī)才是超級(jí)計(jì)算機(jī)[2]。超級(jí)計(jì)算機(jī)一向被稱(chēng)為國(guó)之重器，是世界各國(guó)競(jìng)相角逐的科技制高點(diǎn)，也是一個(gè)國(guó)家科技實(shí)力的重要標(biāo)志之一。

　　中國(guó)第一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)是國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)于1983年12月研制成功的“銀河-I”，這臺(tái)計(jì)算機(jī)在國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮了重要作用，中國(guó)也成為世界上少數(shù)幾個(gè)能夠研制超級(jí)計(jì)算機(jī)的國(guó)家之一[3]。此后我國(guó)在超級(jí)計(jì)算機(jī)研制方面捷報(bào)頻傳，如國(guó)防科大、國(guó)家并行計(jì)算中心、中科院計(jì)算所、聯(lián)想集團(tuán)等單位相繼推出了“銀河”“神威”“曙光”“深騰”等一系列國(guó)產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng);2010年11月，中國(guó)千萬(wàn)億次超級(jí)計(jì)算機(jī)“天河一號(hào)”在世界超級(jí)計(jì)算機(jī)五百?gòu)?qiáng)排行榜(TOP500)上首次問(wèn)鼎冠軍，2013-2018年，中國(guó)“天河二號(hào)”和“神威·太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)連續(xù)排位第一名，實(shí)現(xiàn)世界超算“十連冠”[4]。

　　40多年來(lái)，中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)研制從“零的突破”到“世界之巔”，集中地反映了這一國(guó)家大型科學(xué)工程項(xiàng)目著眼國(guó)家戰(zhàn)略需求，堅(jiān)持走中國(guó)特色自主創(chuàng)新之路的科研歷程。不僅滿(mǎn)足了中國(guó)尖端技術(shù)研究的急需，支援了國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)，也積累了一整套研發(fā)高性能計(jì)算機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，使中國(guó)人在掌握計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)上向前跨越了一大步，成果和效用自不待言。但是，中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)研制歷程的背后，一些發(fā)展中的問(wèn)題還沒(méi)有被足夠重視，一些研究的不足還需要關(guān)注和探討。特別是2018-2020年，美國(guó)“頂點(diǎn)”(Summit)和日本“富岳”(Fugaku)等超級(jí)計(jì)算機(jī)先后超越中國(guó)的“神威·太湖之光”成為世界最快超級(jí)計(jì)算機(jī)，而中國(guó)的新一代超級(jí)計(jì)算機(jī)遲遲未能推出。

　　因此，中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)到今天有必要進(jìn)行自我總結(jié)，對(duì)其面臨的深層次問(wèn)題進(jìn)行一些反思，以期在全球高端科技、尤其是高性能計(jì)算機(jī)研發(fā)領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)異常激烈的今天，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，為決策者及研究同行提供現(xiàn)實(shí)參考。

　　一 自主創(chuàng)新路向何方

　　“創(chuàng)新”在科技類(lèi)文章中是一個(gè)常用詞，大量文獻(xiàn)中使用對(duì)“創(chuàng)新”概念的闡述均來(lái)源于20世紀(jì)初美籍奧地利經(jīng)濟(jì)學(xué)家約瑟夫·熊彼特(J. A. Joseph Alois Schumpeter，1883-1950)，他在《經(jīng)濟(jì)發(fā)展理論》一書(shū)中對(duì)創(chuàng)新進(jìn)行了系統(tǒng)的理論研究。熊彼特的研究雖然具有普適性，但嚴(yán)格意義上講，他對(duì)的“創(chuàng)新”的闡釋主要還是針對(duì)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域和社會(huì)生產(chǎn)領(lǐng)域，而并非科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代，中國(guó)學(xué)界開(kāi)始主動(dòng)借鑒西方創(chuàng)新理論研究，并結(jié)合自身特點(diǎn)和實(shí)踐歷程對(duì)有關(guān)理論進(jìn)行完善。

　　進(jìn)入21世紀(jì)，中國(guó)《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》中，對(duì)自主創(chuàng)新的定義是“通過(guò)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的獨(dú)特的核心技術(shù)以及在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品的價(jià)值的過(guò)程”[5]，主要包括原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新三種形式。原始創(chuàng)新指前所未有的科學(xué)發(fā)現(xiàn)、技術(shù)發(fā)明、原理性主導(dǎo)技術(shù)等創(chuàng)新成果;集成創(chuàng)新指通過(guò)對(duì)各種現(xiàn)有技術(shù)的有效集成，形成有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品或者新興產(chǎn)業(yè);引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新是指在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)、分析、借鑒，進(jìn)行再創(chuàng)新，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)。

　　由于國(guó)外技術(shù)封鎖和國(guó)內(nèi)技術(shù)落后的原因，中國(guó)首臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)銀河-I在研制之初，就確定了“走一條自力更生、學(xué)習(xí)與獨(dú)創(chuàng)相結(jié)合，起點(diǎn)跟得上當(dāng)時(shí)國(guó)際水平的新路子”[6]。銀河-I是以美國(guó)第一臺(tái)可持續(xù)性能達(dá)到每秒1億次以上速度的向量超級(jí)計(jì)算機(jī)Cray-1為范本研制的，它在總體方案上瞄準(zhǔn)Cray-1，借鑒其成功的設(shè)計(jì)思想;同時(shí)對(duì)當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)沒(méi)有或是不能保證質(zhì)量的核心元器件，設(shè)法從外國(guó)引進(jìn)。因此，銀河-I并不是完全自主創(chuàng)新的成果，而是小部分原始創(chuàng)新和大部分集成創(chuàng)新結(jié)合的產(chǎn)物。例如，對(duì)于無(wú)法洞悉Cary-1究竟如何實(shí)現(xiàn)億次計(jì)算，銀河-I研制人員通過(guò)原始創(chuàng)新，突破了雙向量陣列體系結(jié)構(gòu)、改進(jìn)浮點(diǎn)倒數(shù)近似迭代算法、指令鏈接與流水控制、素?cái)?shù)模雙總線交叉訪問(wèn)的存儲(chǔ)控制等關(guān)鍵技術(shù)。而銀河-I的整體工程實(shí)現(xiàn)，是通過(guò)大規(guī)模綜合集成創(chuàng)新完成的。

　　事實(shí)證明，當(dāng)時(shí)這樣做既為整個(gè)工程爭(zhēng)取了時(shí)間，節(jié)約了研制經(jīng)費(fèi)，又保證了銀河-I系統(tǒng)性能的高水平。20世紀(jì)七八十年代，中國(guó)與西方發(fā)達(dá)國(guó)家存在較大技術(shù)差距，銀河-I研制利用改革開(kāi)放條件，走原始創(chuàng)新和集成創(chuàng)新相結(jié)合的路子有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。此后采用同樣模式又相繼誕生了銀河-Ⅱ、銀河-Ⅲ等系列超級(jí)計(jì)算機(jī)。同時(shí)，機(jī)制更為靈活的中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)技術(shù)研究所、聯(lián)想集團(tuán)等單位和企業(yè)，采用“引進(jìn)-消化-吸收-再創(chuàng)新”的方式，研發(fā)成功“曙光-1”“深騰-1800”等系列超級(jí)計(jì)算機(jī)，完成了從大規(guī)模并行體系結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，到可擴(kuò)展共享存儲(chǔ)并行體系結(jié)構(gòu)的跨越。

　　但是，中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)的自主創(chuàng)新之路并不平坦。2010年11月，當(dāng)“天河一號(hào)”成為世界最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)，其核心部件90%以上卻依然采用了美國(guó)英特爾公司和AMD公司最先進(jìn)的CPU(中央處理器)和GPU(圖形加速器)[7]。連續(xù)六次登頂世界超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)之首的“天河二號(hào)”，其硬件系統(tǒng)主要部件的計(jì)算陣列全部采用美國(guó)商用微處理器[8]。2010年曾排名世界第二的中國(guó)“曙光星云”超級(jí)計(jì)算機(jī)，核心部件全部是由國(guó)外英特爾和英偉達(dá)芯片構(gòu)建的。在中國(guó)已成為世界第二大經(jīng)濟(jì)體的今天，國(guó)產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)核心部件仍大量使用國(guó)外進(jìn)口芯片就不免受到公眾的質(zhì)疑。

　　事實(shí)上，以集成創(chuàng)新為主的模式最終只能仿制別人、依靠別人，引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新的模式最后會(huì)落入“落后-引進(jìn)-再落后-再引進(jìn)”的陷阱。2015年，美國(guó)政府禁止了英特爾等企業(yè)向中國(guó)出口超級(jí)計(jì)算機(jī)有關(guān)的設(shè)施與技術(shù);2018年，美國(guó)商務(wù)部又簽署了禁購(gòu)令，要求所有美國(guó)公司不得向中國(guó)企業(yè)出口包括芯片、軟件、操作系統(tǒng)等商品。這對(duì)從事中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)研制的一些單位產(chǎn)生了不利影響，使已經(jīng)運(yùn)行的某型超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)未能繼續(xù)升級(jí)，甚至導(dǎo)致某項(xiàng)百億億次級(jí)計(jì)算系統(tǒng)研制進(jìn)度一再推遲。

　　推薦閱讀：計(jì)算機(jī)相關(guān)論文發(fā)sci4區(qū)難嗎