中国超算发展之路：从跟随者到世界第一梯队的挑战与机遇

“中国超算从业者不仅要认识到自己的短板，更要有危机感。”钱德培在接受搜狐科技专访时谈到国内外超级计算技术的发展差距。他的语气虽然温和，但却充满力量。

超级计算是大国科技竞争的战略高地，在模拟核试验、天气预报、石油勘探、生命科学等诸多领域发挥着重要作用。

当前国际关系的变化也影响了超级计算的发展。钱德培坦言，对芯片制造和芯片设计的限制会给超级计算的发展带来很大困难。 “人们不会让你前进，所以我们必须自己想办法前进。”

回顾历史，中国超算走出了一条非常规的发展道路。中国从追随者到进入世界超级计算第一梯队，只用了20多年的时间。

1996年，钱德培和中科院院士李伟出席世界超级计算大会时，基本上没有见到来自中国大陆的人。 “李老师当时也说了，美国造了一台可以生产万亿次的机器，我们能不能把它卖了，造一台可以生产5000亿次的机器？”

2010年，“天河一号”以4700万亿次浮点运算的速度首次登上世界超级计算机500强排行榜。次年，钱德培受邀在世界超级计算大会上做专题报告。这也是会议首次邀请中国人做报告。后来，中国跻身超算企业500强之列成为常态。

今年，美国橡树岭国家实验室建造的超级计算机Frontier首次突破百亿亿次计算瓶颈，标志着超级计算正式进入E时代。

即使外部环境面临很大的不确定性，钱德培透露，我国已经实现了“十三五”E级计算的研究目标。

每秒数百亿的计算速度是在国际象棋大战中击败人类的“深蓝”的一亿倍。相当于约100万台个人笔记本电脑同时进行计算。凭借如此强大的性能，百亿亿级计算机试图将人类的智慧延伸到更广阔的世界。

例如，钱德培认为，百亿亿次计算机对生命健康领域具有重要意义，可以帮助寻找癌症的原因和模式。

计算是一个持续发展的过程，百亿亿级计算机并不是终点，而只是中间的一个里程碑。继E级计算机之后，计算速度相当于前者1000倍的Z级计算机成为了科学家们追求的目标。

不过，Z级计算机的出现可能并不是特别早。这是因为单芯片的性能和系统的并行规模无法无休止地提高和扩展。钱德培表示，E级计算的实现时间已经被推迟，2035年之前不可能实现Z级计算。

“任何技术都有快速发展期、成熟期和平台期。” 2013年之前，超级计算领域保持着“十年千倍”的发展速度，但近年来超级计算机性能进步的速度有所放缓。

以下为谈话实录（已编辑）：

1、高性能计算进入E时代

“一台E级计算机售价约6亿美元，重数百吨，每小时消耗约4万到5万千瓦时的电量，相当于100万台笔记本电脑同时计算。”

搜狐科技：今年，Frontier成为全球首台突破百亿亿次计算瓶颈的超级计算机，标志着高性能计算正式进入E时代。百亿亿次计算机的计算能力有多强？

钱德培：一台E级计算机相当于约100万台个人笔记本电脑同时计算。这只是纯粹的加法计算。让这些计算机同时工作是比较困难的。

搜狐科技：大概的体积、重量和成本是多少？

钱德培：每一代超级计算机的大小都差不多。包括存储和网络在内，Exa级计算机大约有200个机柜，每个机柜大约有一两吨重。能耗为每小时数十兆瓦，相当于4万至5万千瓦时的电力。

一台E级计算机的国际成本约为6亿美元。我们的大概是30亿元人民币，比上一代P级计算机（PetaFLOPS，每秒千万亿次浮点运算）稍微贵一点，但也不是一个数量级。随着增加，我国P级计算机的价格约为3亿美元。

搜狐科技：E级计算机解决实际问题的能力为何如此强大？它能解决哪些P级计算机无法解决的问题？

钱德培：其实计算是一个不断发展的过程。事实证明，传统应用领域需要提高精度和分辨率，对计算的需求会更大。例如，天气预报的分辨率实际上是基于网格的大小。每细分一倍，计算能力就需要增加8倍。这是一个水涨船高的过程。

如今，一些新的应用领域已经出现，大家越来越关注生命健康。我认为百亿亿次计算机可以帮助找出癌症的原因和模式。例如，为什么会发生癌症？它与人类基因有什么关系？

搜狐科技：E级计算机什么时候可以成熟应用？

钱德培：从历史上看，P级计算机在2008年左右就出现了，大约用了两三年的时间，才更好地利用了P级计算机的能力。 E级计算机和E级计算机应用同步发展，但应用会滞后。现在E级计算机的全面应用有几十个，但要在更多领域得到应用还需要两三年的时间。

搜狐科技：我国“十三五”规划指出将突破E级计算机核心技术，“十四五”将实现10E级超级计算。美国、欧洲和日本也在竞相部署E级超级计算机。为什么E级超级计算机能够成为大国科技竞争的重中之重？

钱德培：每个阶段都有阶段性口号，计算技术的发展必须始终向前。十多年前，P级是一个主要目标。 P级之后是E级，E级之后是Z级。

为什么百亿亿级计算在现阶段很重要？首先，解决刚才提到的挑战性问题需要百亿亿次计算能力；第二，国家安全需要强大的计算能力；第三，计算技术需要向前发展，Ex级计算技术影响整个计算机行业的水平。 。

搜狐科技：您曾撰文指出，如果没有颠覆性突破，Zetta级计算机在2035年之前就无法实现。实现Z级计算机的主要技术挑战是什么？

钱德培：过去高性能计算技术的进步有两个方面，一是单芯片性能的提升，二是系统包含的处理器数量的增加，即并行规模的扩大。但我们在这两条道路上都已经达到了极限。芯片技术逐渐接近极限，并行规模无法无限扩展，因为机器功耗太高。

目前性能与能效的提升速度存在十倍以上的差距。如果性能提高1000倍，能源效率可能只提高不到100倍。以此计算，目前E级计算机的能耗约为50兆瓦，Z级计算机的能耗大约在500兆瓦至1000兆瓦之间。即使建成了，也没有人敢运行这个系统，因为能量密度太高，对电网的压力太大。

从经济角度看，P级计算机每年的运行费用在几千万左右，E级计算机每年的运行费用在上亿。如果Z级计算机每年的运行费用是数十亿，那是无法接受的。

2、中国用了20多年才进入世界超级计算第一梯队。

“1996年，我和李伟先生参加世界超级计算大会时，基本上没有见到来自中国大陆的人。经过20多年的发展，中国的超级计算现已进入世界第一梯队，与美国、日本交替排名。 ”

搜狐科技：目前我们在超级计算领域的国际地位如何？

钱德培：中国在超级计算领域的发展与国力的提升密不可分。 1996年，我跟随李伟先生去美国参加世界超级计算大会。基本上我见不到任何来自中国大陆的人。这说明我们在这个领域没有发言权。

我们参观了美国的一个超级计算中心。他们的机房里运行着数十台 IBM SP2。光是放一台机器和一个柜子就费了一番功夫。李老师当时说，美国已经造出了一台可以进行万亿次运算的机器。我们可以卖掉它并建造一台可以执行 5000 亿次操作的机器吗？

经过20多年的发展，我们已进入世界超级计算第一梯队，与美国、日本交替排名。机器计算速度从1996年的每秒25亿次增长到现在的100亿次。应用模型也发生了变化。过去，你必须去机房提交作业并获取结果。现在如果你想使用国家高性能计算，你可以直接从互联网上使用。

中国已经从跟随者进入第一梯队，引起其他国家的关注。如果有人制裁你，说明你的地位提高了。

搜狐科技：我国高性能计算领域还存在哪些短板？新形势下我们将面临哪些挑战？

钱德培：我觉得我们不仅要认识到不足，更要有危机感，而且超算从业者的危机感比外界更清晰、更具体。

目前芯片制造和芯片设计的限制会给超级计算的发展带来很大的困难。我们需要思考其他各种方法，比如克服架构和实现技术方面的问题。

此外，我们的应用水平还落后于最先进国家。一方面，应用中使用的软件大部分是进口的，存在一定的风险。另一方面，该应用很流行，参与的人很少。例如，只有少数公司有能力优化飞机和汽车。

搜狐科技：现在自主和控制是最重要的吗？

钱德培：人家一定要阻止你，不让你前进。我们必须有一条自己前进的路，不依赖别人。但独立性、可控性和吸收人类文明最先进成果不应该是矛盾的。

3. 超级计算机会向类脑系统发展吗？

“与人脑相比，超级计算机擅长重复执行明确定义的运算，但不擅长理解和启蒙。而且，人脑的功耗约为20瓦。如果超级计算机和人类一样高效，大脑的能量消耗将会大大减少。”

搜狐科技：类脑计算、光子计算、量子计算等新型计算技术会成为解决超级计算机性能下降的问题吗？

钱德培：量子计算、光子计算、类脑计算更多的是对现在计算机的补充。短期内它们无法解决主流计算机性能提升的问题。

量子计算机每年都在进步，但距离通用、成熟的计算系统还很远。光子计算机所能达到的速度和能耗水平还不足以威胁电子计算机的地位。而如果我们想要真正了解人脑，并利用人脑的工作原理来构建计算机，我们还得走得更远。

搜狐科技：人的大脑可以看作是经过亿万年进化形成的一台“计算机”。与人脑相比，超级计算机擅长什么？你不擅长什么？

钱德培：我认为简单地说人脑是一台计算机是不准确的。在今天的计算机中，计算问题最终都映射到二进制位可以操作的结构上，但人脑并不完全是计算的。

与人脑相比，超级计算机擅长重复执行明确的操作而不出错、孜孜不倦地工作，但它们不擅长理解、直觉和顿悟。例如，当一个人看到一个人时，他立即知道他是谁，并且可以大致猜出对方在想什么。这背后的原因尚不清楚。

另外，人脑的功耗只有20瓦左右。如果超级计算机像人脑一样高效，那么能源消耗将会大大降低。

搜狐科技：超级计算机会向“类脑”技术方向发展吗？

钱德培：我认为超级计算机发展的目标并不是要真正像人脑，因为人脑的计算能力不如计算机，所以本质上是吸收人脑的优点使高性能计算机表现得更好，比如提高能源效率，提高学习、推理和进化能力。

搜狐科技：在即将召开的 CNCC2022 上，您将发表主题为“从网格到东方计算和西方计算，构建国家计算基础设施”的演讲。对于超算产业来说，“东西方”工程有何意义？

“东算西算”将对我国超级计算的发展产生巨大的推动作用。它代表着一个算力被大众认可的时代。

我这20年来接触到的国家科技发展计划项目，一开始高性能计算的应用领域比较狭窄。 “十三五”期间，我们支持了近20个较大的应用软件，涵盖汽车、高铁、飞机等重要行业以及天文、生命科学等科研领域。

新形势下，“东数西算”计划可以解决能源分布不均、应用需求不均的问题，通过建设算力基础设施促进经济发展。