美国发布保持E时代高性能计算领先地位的政策建议

　　52421452022年9月，美国信息技术与创新基金会（ITIF）发布题为《保持美国高性能计算在E（百亿亿次级计算）时代的领先地位》（Sustaining U.S. High-Performance Computing Leadership in an Exascale Era）的报告，报告介绍了高性能计算的重要性、国际高性能计算领导地位的重要性、高性能计算的下一代商业应用，以及促进高性能计算发展的政策建议。
　　高性能计算（HPC）即超级计算机通过融合处理能力和存储能力，快速解决科学、工程、商业等不同领域的计算难题和挑战。HPC是战略性的、颠覆性的技术，在促进经济、科学发展和国家安全方面具有潜在意义，同时，HPC也代表了科学发现和商业创新的前沿，也是国家和企业竞争的前沿领域。
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　　高性能计算（HPC）
　　高性能计算（HPC）是超级计算机应用复杂的模型和大数据集来研究和解决复杂的科学、工程和技术挑战。超级计算机是全球最快、最大、最具能力的计算机系统。HPC将计算机体系结构、程序和电子、算法和应用软件等技术融合在同一个平台，以快速和高效的解决问题。
　　超级计算机是通过FLOPS（每秒浮点运算次数）来评估的，即每秒所执行的浮点运算次数。过去30年，超级计算的能力呈指数级增长。1993年，全球最快的超级计算机可以计算1240亿次，即10^9 FLOPS。随后，最快的超级计算机的运算速度稳定增长，1997年达到10^12 FLOPS（1 Teraflops），2008年达了10^15（1 Petaflops）。2022年5月30日，美国能源部下属橡树岭国家实验室研发的超级计算机Frontier实测性能达到1.1 Exaflops（10^18 FLOPS），成为全球首台E级超级计算机，表明当前高性能计算正式进入E（百亿亿次级）时代。
　　FLOPS、Teraflops、Petaflops、Exaflops的对应关系如图所示：
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　　高性能计算重要性
　　高性能计算对于国家经济和国家安全非常重要，主要体现在以下方面：
　　HPC可以促进新的科学和技术发现。E级计算机比P级计算机的运算速度快1000倍。E级计算机每秒可以运行百亿亿次，可以更加真实地模拟科学发现中的一些过程，从而解决更加复杂多变的科学、技术、工程挑战。
　　HPC代表了先进计算的最尖端。应用更快的GPU、加速器等硬件的需求使得HPC成为先进计算的最前沿。超级计算机推动了E时代的进程，从服务器到、笔记本、平板和手机，都变得速度更快，功能更强大，同时也在驱动半导体和计算机架构设计的创新，最终影响服务器、计算机、手机等IT平台。
　　赋能大数据、人工智能、机器学习、深度学习创新。大数据、人工智能、机器学习、深度学习激发了对HPC的需求，HPC也越来越多地应用于这些领域。超级计算机不仅可以快速处理大数据集，还可以在大数据集上更快地实现算法训练，并且处理不同种类的结构化数据和非结构化数据，比如视频、音频、图片、文本、温度、气压等。此外，超级计算机还可以充分发挥边缘计算的潜力，使得AI与HPC的关系发生变化。
　　带来巨大的直接和间接经济收益。超级计算机的使用会带来巨大的直接和间接经济收益。Hyperion公司在一项针对175个公司的调研中发现，企业每对HPC投入1美元，将平均产生452美元收益。在金融、生命科学、制造业和交通行业，企业对HPC投入1美元将平均获得504美元的销售收入，以及38美元的盈利或成本节约。此外，基于Linux的超级计算机的销售产生了超过3000亿美元的销售额，预计2022-2026年销售额将达到900亿美元。
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　　全球主要国家HPC发展现状
　　鉴于高性能计算对于国家经济和国家安全的重要性，许多国家和地区都在竞争超级计算的全球领导地位，包括超级计算机的运算能力、超级计算机的数量、高性能计算应用能力、利用计算能力方法的有效性等方面。
　　超级计算机全球数量与占比。2015年11月，在全球超级计算机top 500榜单中，美国占199个，中国占109个。到了2022年6月，这一数量发生了翻转：中国173个，美国128个。中国在该榜单上的占比数量增长了58%，而美国减少了1/3，排名第二和第三的日本和德国数量相对稳定。
　　超算应用能力。相比之下，美国投入了数十亿美元用于开发超算计算机的软件和应用，还投入大量资金用于培训使用这些工具的研究人员。也就是说，美国更加关注美国科研人员和企业对于HPC资源的访问，因此HPC可以有效部署以解决学术和工业研究的挑战。
　　HPC服务器系统销售情况。从各国出售HPC服务器系统的情况来看，2021年美国企业在全球HPC市场份额中占比61.6%，中国企业占比18.3%，法国和日本分别占3.7%和2.4%。2021年北美占据全球HPC服务器销量的42%，欧洲为28%，亚洲为28%（含日本6%）。
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　　HPC的下一代商业应用
　　E级HPC正在美国航天、汽车、能源、生命科学等领域引领变革性突破和创新。对于美国产业界来说，HPC应用可以加速研发活动、使得全新的产品设计和结构成为可能，加速产品面市的时间，减少成本、增强能源效率。
　　航天领域创新。HPC正在变革飞机引擎设计。在空客和波音等企业设计和制造飞机的过程中，正在通过使用HPC应用来决定整个飞机的气动性能。在设计波音787时，为了能够设计出最轻、升力最大的机翼，波音使用超级计算机评估了约5000万个变量以确定其最优值。此外，HPC还可为复杂问题提出更准确的解决方案，增强产品的安全性和环境友好性，缩短产品开发周期，从而降低开发成本。
　　汽车领域创新。HPC已应用于设计更加节能高效的汽车。IBM公司使用超级计算机研发的SmartTruck技术每年可节省15亿加仑的柴油燃料，燃料费用约合50亿美元。目前，汽车制造商准备设计新一代的智能网联汽车，HPC可协助其实现快速建模，创建原型系统和设计虚拟测试。就目前来说，开发和训练智能网联汽车和大规模模拟车流量所需的计算能力和性能只有HPC才能提供。
　　生命科学领域创新。E级HPC在肿瘤学研究与药物发现领域已经做出了贡献。HPC在帮助应对新冠疫情方面也起着非常重要的作用。如在疫情初期，ORNL超级计算机就模拟了超过8000个药物以识别出最有可能预防病毒感染的药物。
　　清洁能源创新。E级HPC将推动清洁能源领域的创新，包括风力涡轮机和风电场设计和建设的优化、以及智能电网管理等等。
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　　政策建议
　　报告给出了保持美国在HPC生产和应用方面保持全球领先地位的政策建议。
　　建议一：落实芯片和科学法案2022（CHIPS 2022）中与HPC相关的投资和项目。法案呼吁将先进科学计算研究（ASCR）项目活动的资助增加40%，从2021财年的10.3亿美元增加到2027财年的14.2亿美元。此外，该法案要求国会确保对NSF（美国国家科学基金会）项目的资助，同样地，NSF也建立了区域创新引擎（RIE）项目，以培育美国创新生态。RIE项目应该能够访问区域超算资源，还应优先与产业界、学术界、国家实验室合作，保护知识产权、明确数据权属、确保业界参与研究项目的能力。
　　建议二：增加对美国能源部国家核安全管理局（NNSA）先进模拟和计算（ASC）项目的资助。目前，E级计算项目由ASC项目和ASCR项目联合运营。而ASC是由国防授权法案授权的，并不是CHIPS 2022法案的一部分。因此，在下一个国防授权法案中，国会应该在未来五年将ASC的资助增加40%达到与ASCR的规模，以支持先进计算发展。
　　建议三：确保新创建的区域技术和创新中心投资超算资源。CHIPS 2022法案提出，未来5年将投入100亿美元创建20个区域技术和创新中心。国会应与NSF及其技术、创新和合作委员会（TIP）共同资助区域技术和创新中心发展区域超算中心。当前，学术界和产业界存在鸿沟，TIP的目的就是通过投资先进计算、AI、5G等关键技术来联通政府、学术机构和产业界，并通过有效的政产学合作的方式将学术研究成果转化为商业化产品，增强美国的科技引领作用与经济竞争力。
　　建议四：HPC相关的出口管制应考虑相关国家HPC的发展情况，并与盟友国家的管制政策相一致。美国的出口管制政策应定期更新以反映半导体和HPC行业的全球状态，同时应避免实施单边出口管制，并制定更有效的多边办法，用来在联盟国家内实施对HPC和半导体等先进技术行业的出口管制。
　　建议五：加大计算机科学和电子工程人才培养力度，支持美国STEM（科学技术工程数学）人才储备。当前，美国国内STEM人才储备明显不足，有研究显示，从2014到2024年，美国每年计算机和信息技术毕业生人数约为6万，存在4万的缺口。而且美国电子工程项目研究所中，国际学生占比81%；计算机科学项目研究所毕业生中，国际学生占比79%。美国应该将美国STEM高中学学生的数量扩大一倍，确保美国高中开设计算机科学课程，激励美国大学扩大计算机科学招生规模。
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　　评述
　　高性能计算对于经济发展和国家安全非常重要，是一种重要的国家战略能力，也是国家和企业竞争的前沿领域。当前，高性能计算已进入E时代，在促进新的科学和技术发现，赋能大数据、人工智能、机器学习、深度学习创新等方面起着重要作用，还带来了巨大的直接和间接经济收益。
　　高性能计算带动了美国诸多行业的突破性创新，如航空航天、汽车交通、消费品、能源和生命科学等等。总体来看，美国在全球高性能计算领域处于全球领导地位。虽然美国在最新TOP 500超级计算机排名中的数量上仅次于中国，但在累计超级计算能力方面高于中国。报告认为维护美国的高性能计算全球领先地位是保持美国产业竞争力、经济实力和国家安全的关键，美国CHIPS 2022法案中也提出了与高性能计算相关的资金和计划。
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　　作者丨TAO
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