▲ 美国橡树岭国家实验室的超级计算机Frontier。
导 读
自从Chat-GPT公开测试，“人工智能”和下一个科技爆发点就成为各界密切关注的话题。人工智能可能带来的美好未来毋庸置疑，但大模型训练所需要的资金、设备、能源投入，也是一个令人咋舌的天文数字。而人工智能训练的速度、可以解析问题的深度、广度，都与其背后的算力支持息息相关。本文较为清晰地梳理了高性能计算的行业价值和竞争情况，并强调：国家必须加大投入，保持领先地位。
高性能计算不仅可以帮助人工智能实现快速训练、迭代，在几乎所有学科的分析、模拟、实验上，都可以提供高效、深入的支持。具体到行业，高性能计算可以支持甚至彻底改革的行业包括：飞行器、车辆、等高端、高精度工业设计，交通网络规划，生命科学和医学研究，新能源开发和运维，天气、地震等气候预测，武器系统管理等等。在支持这些学科、行业之外，高性能计算自身也是一项大型产业，上下游涉及诸多行业，可以创造经济收益。在当下的高性能国际竞争格局中，中国拥有的高性能计算机数量和计算能力在2017年已经超越了美国，但在软件和针对性应用支持上有所不足，国内使用带来的经济收益较低。
本文作者从美国利益出发，呼吁美国一定要保障国家在高性能计算领域的领先地位，而具体措施则在于加强经济投入、促进政府、学术、商业之间的互动，并留住相关学科的人才。在人才上，作者强调，美国电气和计算机两个学科中，有81%和79%是国际学生，美国应该给予特殊政策，把他们留在美国。本文中的信息和视角，对国内行业的发展也有重要提示价值。本文原刊于ITIF，由欧亚系统科学研究会与“国政学人”联合编译，仅代表作者观点，供读者参考。
新前沿：在百亿亿次时代保持美国高性能计算的领导地位
高性能计算（HPC）是指通过处理能力和存储能力的结合，可以快速解决科学、工程和商业领域各种复杂计算问题的超级计算机。HPC代表了一种具有巨大经济竞争力、科学领导力和国家安全影响的战略性、改变游戏规则的技术。由于HPC处于科学发现和商业创新的前沿，它被定位为国家和企业竞争的新前沿，美国在生产和采用HPC方面的实力有助于保证其工业竞争力和国家安全能力。
2022年5月30日，随着美国能源部橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）的超级计算机Frontier的推出，世界进入了百亿亿次计算时代，这台超级计算机能够每秒执行1亿亿次浮点运算（floating point operations per second，FLOPS）。百亿亿次计算的出现将在科学、技术和工程领域释放大量迄今难以想象的研究机会，越来越多能力更强的超级计算机的扩散正在帮助航空航天、天文学、生物学、粒子物理学、地震学和气象等领域的研究人员在复杂的生物、化学和物理系统的建模和仿真（modeling and simulation，M&S）方面取得突破。
对于美国工业来说，在HPC应用方面的领导地位对于研究和产品开发、上市时间、成本避免以及在制造过程中提升能源效率是不可或缺的，所以美国应使HPC设施成为获得比较优势的关键机制，并持差异化和独特的价值主张进入市场。简而言之，从经济和国家安全的角度来看，HPC代表着一种关键能力，决策者必须继续维持投资并建立生态系统，以确保美国在这一关键技术上领先世界。
1. 什么是高性能计算?
高性能计算（HPC）是指应用超级计算机——世界上最快、最大、最强的计算机系统——以及复杂的模型和大型数据集，以研究和解决复杂的科学、工程和技术挑战，特别是那些需要理解、建模和模拟复杂多变量物理系统的挑战。HPC将几种技术，包括计算机架构、程序和电子、算法和应用软件，合并在一个平台上，以快速有效地解决先进且迄今为止依然棘手的问题。
Frontier拥有870万个核，额定速度为每秒1.102千万亿次，超过了当时世界领先的日本超级计算机Fukagu（富岳），后者拥有760万个核，额定速度为每秒537千万亿次浮点运算。Frontier占地4000多平方英尺，包括90英里长的电缆和74个机柜，每个机柜重8000磅。美国计划2022年晚些时候在阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory，ANL）推出第2台百亿亿次计算机Aurora（极光），其性能水平可能超过每秒两百亿亿次。2023年，美国将在劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）上线第3台具有百亿亿次运算能力的计算机El Capitan（酋长岩），预计运行速度为1.5百亿亿次浮点运算，其首要任务是帮助管理国家的核武库。
理解计算机处理速度的每个步骤变化——从十亿浮点运算（gigaflops）到万亿次浮点运算（teraflops）到千万亿次浮点运算（petaflops）到百亿亿次浮点运算（exaflops）——都代表了峰值计算速度的1000倍增长：即三个“数量级”的增加（“数量级”通常被理解为某物增加10倍）。因此，百亿亿次超级计算机比千万亿次计算机的速度和功能都要快1000倍（见图2）。总而言之，在过去的20年里，世界上最快的超级计算机的性能增长了近70000倍。
2. 为什么高性能计算很重要？
从概念上讲，HPC对国家的经济和国家安全至关重要，原因有以下几个：
（一）解锁科学技术发现的新途径
如前所述，具有百亿亿级能力的计算机将比仅具有十亿级能力的计算机快1000倍，功能更强大。因此，百亿亿级超级计算机之所以重要的一个关键原因是，计算能力每提高一个数量级，人们就能在计算能力上获得质的提高。以每秒1亿亿次运算的速度，百亿亿次计算机将能够更真实地模拟科学发现和国家安全所涉及的过程，如精准医疗、小气候、增材制造、原子的晶体结构、人类细胞和器官的功能，甚至宇宙的基本力。换句话说，百亿亿级时代的计算将为解决复杂多元的科学、技术和工程挑战打开新的大门，特别是那些需要数据密集型、建模与仿真驱动的解决方案的挑战，允许各种现象在之前不可能达到的分辨率、粒度和细节水平上得到理解。超级计算机将使构建更高保真度的多物理模型成为可能，这些模型可以在数学上描述系统内各种物理现象和变量的实时相互作用，有助于模拟复杂的相互作用，并有可能隔离影响系统的每个变量的相对影响。
超级计算机解锁创新的另一种方式是为科学方法提供新的维度。迄今为止，科学方法的基本步骤是研究，形成假设，进行实验，分析数据并得出结论。但HPC通过其模拟和预测功能引入了一个全新的步骤。也就是说，科学中的“理论/实验/分析”或产品开发中的“理论/构建物理原型/实验/分析”模型正在转变为“理论/预测模拟/实验/分析”的模型。 因此，支持HPC的计算机模拟成为科学发现的“第三支柱”，补充了传统理论和实验。正如美国能源部能量效率与可再生能源办公室所解释的那样：“历史上，制造业的进步依赖于重复的试错开发和实验。”但这些研究方法有其固有的局限性，包括它们往往过于昂贵、缓慢、有风险、不可行或无法理解复杂系统中发生的事情。相比之下，“超级计算机上的计算实验可以探索使用物理实验和典型计算机难以模拟的复杂系统。”
（二）最大程度释放人工智能/机器学习/深度学习的潜力
麦肯锡分析师估计，人工智能（Artificial Intelligence，AI）——一个致力于创建类似于人类学习和决策操作的计算系统的计算机领域——到2030年可能会带来额外的全球经济产出，达到13万亿美元，使全球国内生产总值（GDP）每年增长约1.2%。人工智能能够产生如此巨大的影响，部分原因是它将帮助企业实时从数据中提取并应用可操作的见解和情报。在这方面，人工智能的两个子领域将特别重要：机器学习（Machine Learning，ML）和深度学习（Deep Learning，DL）。机器学习是人工智能的一个分支，专注于设计算法，可以在不显式编程解决方案的情况下自动和迭代地从新数据中构建分析模型；深度学习是一个机器学习的子领域，可以分层构建算法，以创建可以学习的“神经网络”。
人们越来越发现，超级计算机正在大型数据集上快速训练算法方面具有变革性的力量——这是机器学习的本质——从而使人工智能工具的开发能够在从手机到健身监视器等各种平台上提供服务。此外，HPC不仅可以处理大型数据集，还可以处理各种各样的结构化数据（即电子表格上的数据）和非结构化数据，如图像、视频、音频、文本、遥测、温度、气压等，其中大部分来自各种传感器、机器、卫星等。展望未来，超级计算机将处于有利地位，能够从广泛的来源消费各种各样的数据，并实时综合这些信息，生成可操作的情报和见解，交付给现场或“边缘”用户。
（三）超级计算的经济影响
HPC之所以重要，是因为它产生了多方面的经济影响。在一项针对175家工业公司的研究中，美国Hyperion公司发现，平均而言，这些公司在HPC上每投资1美元，就能获得452美元的收益（见表1）。将研究范围缩小到金融、生命科学、制造和运输行业的企业，企业在HPC上每投资1美元，就会实现504美元的销售收入和38美元的利润或成本节约。Hyperion估计，这175个HPC支持的项目为这些公司创造了2335个新工作岗位。HPC带来的如此巨大的影响并不令人惊讶，因为“一些大型工业公司已经从使用HPC中节省了500亿美元甚至更多”。
3. 为什么国家需要争取在高性能计算领域的领导地位？
总的来说，美国在开发和部署HPC系统方面仍然处于领先地位，尽管这一领先优势已经缩小。那么，为什么美国在HPC方面处于领先地位很重要呢？
首先，超级计算机能够成为美国防御能力的重要推动者，特别是其核防御态势。如果用核武器来类比HPC，试问，如果美国依赖中国或欧盟来制造核武器系统，这是否会令人不安。如果美国依靠其他国家来供应其核武库听起来是一个站不住脚的命题，那么它依靠其他国家来提供最复杂的HPC系统也是如此。从国家安全的角度来看，美国需要研发世界上最先进的HPC，并使其能够为美国国防人员提供竞争优势，同时帮助美国国防工业系统能够最快设计出领先的武器系统和国防应用程序。
其次，如果HPC系统主要由外国供应商生产，“美国企业可以随时无风险地使用并依赖世界领先的HPC系统”就几乎变为了空想，也可能会使美国下游HPC消费行业面临风险。新冠疫情初期的个人防护设备和医疗设备短缺，就是一个类似的案例。
第三，最为重要的原因是，HPC系统不是在真空中开发的。HPC供应商不会自己设计新的HPC系统模型，相反，HPC供应商通常与客户关系密切，客户与他们合作共同设计下一代HPC系统。这些用户包括美国能源部或国防部等政府机构，也包括前沿企业用户。这种共生关系推动了HPC系统的前沿发展。因此，当一个国家在HPC领域处于领先地位时，就可以与购买HPC机器的终端用户密切合作，从而为最有利于美国国内竞争力的系统创造供需动态。
4. 国际超级计算机领导地位
考虑到超级计算对国家经济和国家安全的至关重要性，许多国家和地区都在争夺超级计算的领导权。截至2015年11月，世界500强超级计算机中，美国拥有199台，而中国有109台；然而，到2022年6月，中国已经扭转了局面，目前中国的超级计算机数量为173个，而美国仅为128个（见图3）。这意味着中国超级计算机在500强中的数量增加了58%，而美国的份额下降超过了三分之一。还应指出的是，中国似乎已经停止向500强名单提交最新的超级计算机（目前最快的10台超级计算机中有7台实际上是中国的），部分原因可能是中国担心美国可能会对美国芯片和芯片技术实施进一步的出口管制限制。事实上，据报道，在2021年，两台中国超级计算机在理论和实际性能方面都达到了万亿次浮点运算（exaflops），尽管这些超级计算机还没有进入前500强名单。
但是，统计哪个国家拥有最多的超级计算机有点过于简单。如果考虑衡量国家累计超级计算能力的Rmax（计算机实际表现出的最佳性能），中国的超级计算能力大约是美国的80%（见图4）。2017年，中国在这一指标上已经超过了美国，但美国在2010年代末推出了几台新的超级计算机，甚至在Frontier达到百亿亿次级之前，这一指标就重新转向了美国。
此外，中国仍在努力将超级计算机的潜在影响最大化。虽然它已经证明它可以建造大规模并行、快速的超级计算机，但它在开发创新软件应用程序方面落后，这些应用程序可以利用这些超级计算机在广泛的领域产生新的见解和发现。例如，据报道，中国的天河二号超级计算机“由于软件薄弱和高昂的运行成本（每天高达10万美元的电力消耗）而难以使用”。简而言之，到目前为止，中国的HPC方法似乎更强调性能速度，而不是实际应用，这意味着中国机器的功能落后于欧洲和美国。
美国企业在销售本地HPC服务器系统方面仍处于领先地位。2021年，总部位于美国的企业占据了本地HPC市场的61.6%，其次是中国企业的18.3%，法国和日本企业的份额分别为3.7%和2.4%（见图6）。2021年，北美占全球HPC服务器消费量的42%，欧洲占28%，日本以外的亚洲（尽管主要是中国）占22%，日本占6%。
5. 下一代高性能计算的商业应用
百亿亿级HPC正在美国众多行业中释放突破性创新，从航空航天和汽车到消费品包装、能源和生命科学等行业。对于美国工业来说，HPC应用程序加速了研发活动，使全新的产品设计或结构成为可能，加快了上市时间，降低了成本，提高了能源效率，并改变了上市商业模式。
（一）飞机和喷气发动机的设计和创新
HPC从根本上改变了空中客车和波音等公司设计和制造飞机的方式，HPC被应用于确定整个飞机的空气动力学性能、每个飞机部件的最佳构造，以及军事领域中隐形平台雷达横截面的设计。对于波音来说，HPC可以更快地解决更复杂的问题并得出更准确的结果以实现性能的提高——提高产品的安全性和环境可接受性，缩短研发及上市时间，并降低整体开发成本。
计算流体动力学（CFD）是流体力学的一个分支，使用数值分析和数据结构来分析和解决涉及流体流动的问题，是实现下一代飞机设计的最重要挑战之一。而百亿亿次级技术将扩大通过CFD分析有效准确模拟的飞行包线范围，曾经需要一个月的CFD模拟现在可以在几天甚至几小时内在具有超大规模的机器上进行。
HPC在军用飞机设计中也发挥着关键作用。2020年9月，美国空军引入了e系列飞机，第一架获得该称号的飞机是波音eT-7A红鹰，这是美军的下一代喷气式教练机，它完全虚拟地使用基于模型的工程和3D设计工具进行设计。美国空军指出，HPC允许波音“无缝地将其原理图转换为金属飞机”，几乎没有耗时的设计错误，与传统开发方法相比，所需的组装时间减少了80%。
（二）汽车创新和移动解决方案
HPC长期以来一直被用来设计更省油的车辆。例如，总部位于南卡罗来纳州的BMI公司使用超级计算机资源开发了SmartTruck技术，每年可以节省15亿加仑的柴油和50亿美元的燃料成本。此外，HPC“将BMI复杂模型的计算周转从几天缩短到几个小时，并消除了对昂贵和耗时的物理原型的需求”，这使得BMI从概念设计到移交制造商可以在18个月内完成，而不是最初预期的3.5年。
汽车制造商现在寻求设计新一代互联和自动驾驶汽车（connected and autonomous vehicles，CAV），而HPC可帮助优化快速渲染模型、远程创建原型和设计虚拟碰撞测试的能力。同时，HPC将在帮助设计CAV方面发挥关键作用，以减少人为错误造成的事故，并帮助减少拥堵。HPC还将在促进更广泛地部署智能运输系统方面发挥作用。
（三）助力美国生命科学创新
百亿亿次时代的HPC能够实现大量新的生物医学发现和创新，并且已经在肿瘤研究和阿尔茨海默病药物研发方面做出巨大贡献，并帮助实现基因测序。HPC在帮助全球生物医学界应对新冠疫情方面也发挥了关键作用。长期以来，HPC一直用于药物研发，其中分子模拟等技术可以帮助模拟与疾病相关的生物靶点，并识别可能与这些靶点有效结合的药物，同时实现预期的治疗结果。2019年研究发现，机器学习可以为每种药物研发节省3亿至4亿美元成本。
（四）清洁能源创新
百亿亿次时代的HPC将全面推动清洁能源创新，从风力涡轮机和风电场设计和建设的优化到智能电网的管理。
（1）风能
ExaWind倡议旨在利用HPC技术来实现在未来10年内可再生风能占美国能源需求20%的雄心壮志。实现大规模的风能部署将取决于了解、预测和减少各种物理流动现象造成的工厂级能源损失，因此“需要能够预测控制整个风电厂性能的基本流量物理和耦合结构动力学，包括尾流形成、复杂地形撞击和通过尾流的涡轮机-涡轮机相互作用。”为此，通用电气正在与ORNL合作，利用超级计算机顶点（Summit）驱动的模拟来提高海上风能生产的效率。
（2）智能电网优化
超级计算机将与人工智能、机器学习结合使用，以优化未来美国智能电网的设计和运营。电网需要维持持续的电力供应来保障家庭、企业和工厂的用电需求。供需不平衡“可能导致大规模停电，甚至可能导致大型组件的永久性损坏。”百亿亿次的运行能力可以使电网运营商“使用包括发电、传输、负载和网络/控制元素在内的综合建模，通过物理和控制威胁场景，在短期内（例如30分钟）优化电网对各种低频危害的响应。”
（五）环境导向型应用
超级计算机在帮助满足从国家安全到天气、气候、地震和飓风预测等多个领域的事项方面发挥着不可或缺的作用。
（1）天气和气候预报
HPC的出现和演变在过去十年中改变了天气和气候预测，为开发更高分辨率、更准确、更及时和更长期的预测做出了贡献。
百亿亿次时代的 HPC有可能将天气预测带入一个新时代。具体来说，云层在了解天气和气候方面的作用非常重要，需要准确而复杂地建模。百亿亿次系统将允许研究人员在生产函数中以“云解析分辨率”运行气候模型。全球气候传感器的激增进一步促进了更大规模数据集的形成，根据这些数据集，计算机可以运行更复杂、计算密集的模型来了解驱动全球海洋、空气、陆地、冰和云之间的相互作用。
更先进的天气和气候预测也将在智能农业、人工智能、物联网、大数据以及智能无人机和拖拉机等领域发挥重要作用，可进一步提高农业产量、生产力和可持续性发展。
（2）地震预测
有效地震预测依赖于大规模的计算机模型和多方面模拟，这些模型和模拟能够重建岩石物理和区域地质学，因此需要大型超级计算机来执行。
2017年，美国一研究团队解释了如何使用超级计算机来开发当时“世界上最先进的地震预测模型”。该团队的预测模型成为第一个提供从极短期（一小时内）到极长期（长达一个多世纪）自常破裂概率的基于故障模型。重要的是，更准确的地震模拟可用于生成先进的、以区域为重点的地震危害地图，可最大程度地保护区域内的生命财产安全。
（六）核储备管理
超级计算机在支持美国国家安全方面发挥着至关重要的作用，特别是美国的核安全。事实上，美国需要始终确保拥有全球最先进的超级计算机的一个重要原因是，它能为美国国防规划者提供一种竞争优势，并帮助美国国防工业系统能够最迅速地设计出领先的武器系统和国防应用。从帮助确保武器库的安全和运行能力（例如核储备管理），到帮助评估、测试和认证新核武器，HPC的贡献无所不。简而言之，超级计算机帮助美国能源部下属的核安全管理局“保持对国家核武器的信心”。
6. 政策建议
本报告提供了以下政策建议，以使美国保持在HPC生产和应用的前沿。
《芯片和科学法案》应给予HPC相关投资和计划以完全且适当的授权。《芯片和科学法案》授权2800亿美元用于促进美国科学研究和工业竞争力，但该法案只使用了大约800亿美元来支持美国半导体行业，这意味着剩余约2000亿美元用于科学和研究资金将需要在2023财政年度预算及以后的授权。特别是，该立法要求将高级科学计算研究（Advanced Scientific Computing Research，ASCR）项目活动的资金增加约40%，将ASCR的年度资金从2021财政年度的10.3亿美元增加到2027财政年度的14.2亿美元。国会应按照未来五年的设想全额分配这些金额。
此外，该法案指示国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）收集信息，并定期发布一份报告，阐明NSF资助项目的计算需求。它进一步指示NSF制定并定期更新高级计算路线图，并启动一个安全的计算飞地试点计划，帮助联邦支持的大学研究所实现信息安全。同样，NSF建立了一个区域创新引擎计划（Regional Innovation Engines），其使命是利用国家的科学和技术研究，优化美国各地的创新生态系统，区域超级计算资源将在其中发挥重要作用。
确保新创建的区域技术和创新中心与超级计算资源连接并投资于超级计算资源。法案授权在五年内提供100亿美元创建20个区域技术和创新中心，该计划将使用基于绩效的竞争手段，将地方和州政府、大学、行业、劳工组织及财团聚集在一起，以促进相关地区的创新能力。
对HPC系统进行必要的投资将是一个孵化机会，可以促进行业、学术界和公共部门之间产生更深入的伙伴关系和促进创新。特别是，国会应拨出授权给NSF及其新成立的技术、创新与伙伴关系理事会（Technology, Innovation, and Partnerships Directorate，TIP）的资金，用于资助区域超级计算中心，并使用HPC来支持所有行业部门的工作。目前，学术界和工业界之间存在脱节。TIP的目的是通过投资于先进计算、人工智能、5G等关键技术，将政府、学术界和行业联系起来，从而启动更强大的公私伙伴关系。拟议的投资可以通过强大、有效的政府-学术-行业伙伴关系将学术主导的研究转化为成功的商业产品，这可以增强美国的科学领导力、经济竞争力，并改善美国人的整体健康以及社会和经济福祉。
任何以HPC为重点的出口管制都应考虑海外可用性，并尽最大可能与盟国的管制保持一致。一般来说，美国出口管制应定期更新，以反映半导体和HPC行业的全球竞争状况，以保证管制不会影响美国企业的能力，依然可以对外销售与外国竞争对手水平相当的商用商品和服务技术。此外，任何最终被认为符合出口管制法定标准的新兴技术，只有必须在美国市场独家开发、应用的情况下才应被指定为出口管制——如果这种独家需要消失，则管制也应相应取消。最后，美国应避免实施单边出口管制，并寻求制定更雄心勃勃、更有效的多边方法，在盟国中颁布HPC和半导体等先进技术行业的出口管制。
确保更多计算机科学和电气工程专业学生毕业，并投身于美国的STEM（科学、技术、工程和数学教育）行业中。正如伊利诺伊州芝加哥数字制造和网络安全研究所MxD首席执行官Berardino Baratta所解释的那样，“美国研发了所需的所有技术，但如果没有足够熟练的劳动力来利用它，最终我们可能无法成功。”美国国内STEM人才明显短缺。与此同时，美国电气工程课程的81%的全日制研究生和计算机科学的79%是国际学生。虽然美国大学仍然吸引着世界上最优秀的学子入学攻读，但美国必须为这些学生在毕业后留在美国创造途径，因此我们呼吁为从美国大学毕业的留学生在STEM专业文凭上装订绿卡。美国还应该将美国以STEM为重点的高中数量增加一倍，确保美国所有高中都教授计算机科学，并为大学建立一个激励计划，以扩大其计算机科学课程。
总之，HPC代表着美国必不可少的战略国家能力，美国必须继续站在HPC系统开发及应用的前沿。
*文章原刊于ITIF，因篇幅所限有所删编。