計算機(jī)能力(計算機(jī)能力挑戰(zhàn)賽)

高性能計算(HPC)通常是指被稱為“超級計算機(jī)”的計算機(jī)系統(tǒng)，具有極高的計算力，能夠高速解決非常復(fù)雜的問題。運(yùn)行成本很高，因為它們在國家安全（例如核模擬）、科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究以及氣候建模中都有用途。另外，大數(shù)據(jù)的興起和訓(xùn)練人工智能(AI)都需要強(qiáng)大的計算能力。今天，美國的計算機(jī)和處理器公司主導(dǎo)著歐洲市場，而中國則開發(fā)著本土的計算能力。歐洲正在尋求通過發(fā)展其工業(yè)基礎(chǔ)來迎頭趕上，但也面臨著工業(yè)、技術(shù)和政治等內(nèi)部障礙。

高性能計算趨勢

高性能計算機(jī)的概念出現(xiàn)1980年代末至1990年代初，隨著大規(guī)模并行處理的出現(xiàn)，超級計算機(jī)開始構(gòu)建具有數(shù)十萬個處理內(nèi)核。下圖顯示了超級計算機(jī)計算能力從1990年代開始的增長速度。

HPC術(shù)語中的計算能力是以每秒浮點(diǎn)運(yùn)算數(shù)(flop/s)來衡量的。雖然它以前以

gigaflop/s為單位來衡量，但現(xiàn)在計算機(jī)能力以petaflop/s為單位衡量，并且很快（可能到2021年底）將達(dá)到exaflop/s。就規(guī)模而言，千萬億次超級計算機(jī)的功能大約是高端筆記本電腦的一百萬倍

歷史上，政府一直在計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展過程中發(fā)揮著重要作用，尤其是HPC技術(shù)。盡管近幾十年來，計算機(jī)芯片的發(fā)展由私營部門推動，尤其是智能手機(jī)行業(yè)。今天公共部門仍然是計算能力的主要消費(fèi)者。2018年，在歐洲，超過90%的HPC運(yùn)行由大學(xué)或?qū)W術(shù)研究中心完成，而其余10%用于商業(yè)目的和最終用戶。而對于國家使用而言，則主要用于國家安全用途。超級計算機(jī)可以用于設(shè)計、開發(fā)、制造和測試武器（包括核武器）和武器平臺。

由于超級計算機(jī)具有雙重用途，因此自1990年代以來它們一直受到出口限制。今天，由于對知識產(chǎn)權(quán)的擔(dān)憂，中美之間的競爭明顯出現(xiàn)在HPC領(lǐng)域。2021年4月，拜登政府將幾家涉及HPC的實(shí)體添加到實(shí)體清單中，其中包括針對中國的國家超算中心（參與高超音速飛行器的仿真）。這會阻止美國技術(shù)向中國出口。

算力的全球分布

在全球范圍內(nèi)，少數(shù)國家擁有強(qiáng)大的超級計算能力。中國和美國領(lǐng)先，其次是二線HPC強(qiáng)國：日本、德國、法國、荷蘭、愛爾蘭、英國和加拿大（見表下）

從公司來看，HPC領(lǐng)域排名前三的廠商分別是聯(lián)想（中國，全球第一，市場份額36.8%）、浪潮（中國，11.6%）、惠普企業(yè)（HPE，美國，9%）、中科曙光（中國，7.8%）和ATOS（法國，7.2%）。如果我們將HPE于2019年收購并占據(jù)6.4%市場份額的Cray包括在內(nèi)，HPE以17.4%的份額上升至第二位。如果看計算機(jī)性能而不是市場份額，情況就會發(fā)生變化。第一大家是富士通（日本，19.8%）。Fugaku于2021年6月亮相，是世界上最強(qiáng)大的機(jī)器。它的威力是第二強(qiáng)的三倍。

除了前十名之外，我們還發(fā)現(xiàn)大型數(shù)字公司，特別是云服務(wù)提供商，如MicrosoftAzure和AmazonWeb

下一個級別

邁向Exascale級別的機(jī)器

目前，高性能計算的特點(diǎn)是百億億級的發(fā)展競賽。Exascale計算機(jī)每秒將能夠執(zhí)行10億次（1quintillion）的運(yùn)算。換句話說，Exascale機(jī)器的功能將是迄今為止世界上最強(qiáng)大的機(jī)器的兩倍，比最好的歐洲機(jī)器強(qiáng)大二十倍。百億億級機(jī)器將在核電研究（例如下一代核彈頭）、氣候科學(xué)（例如溫度變化后果的預(yù)測）、高分辨率氣象學(xué)和海洋學(xué)等特定領(lǐng)域的模擬和3D可視化、生物和醫(yī)學(xué)研究（例如心臟生理學(xué)）方面發(fā)揮重要作用。一個國家在世界算力排名中的位置也是國家主權(quán)的體現(xiàn)。

中國和美國分別在2021年末和2022年投入自己的百億億級機(jī)器計劃。2015年7月，美國前總統(tǒng)巴拉克·奧巴馬(BarackObama)發(fā)起了一項國家戰(zhàn)略計算計劃，呼吁加速開發(fā)一個百億億級計算系統(tǒng)計劃——HPECray計劃。2021年底HPECray計劃交付了其第一臺百億億級計算機(jī)到橡樹嶺國家實(shí)驗室（ORNL，隸屬于美國能源部），并在2022年實(shí)現(xiàn)全面的用戶運(yùn)營。ORNL已經(jīng)舉辦了峰會，該實(shí)驗室被評為2018?2020年擁有世界上最強(qiáng)大的機(jī)器的實(shí)驗室。雖然2001年中國還沒有一臺超級計算機(jī)，但2016年中國在全球超級計算機(jī)的性能和數(shù)量方面超過了美國。

今天，中國現(xiàn)在擁有全球最多的Top500超級計算機(jī)，盡管其機(jī)器總體上不如美國機(jī)器性能。中國希望在2021年底擁有第一臺基于本土技術(shù)的百億億次機(jī)器，并因此可能成為第一個運(yùn)行百億億次的國家。

此外，北京在其2021?2025年的“十四五”發(fā)展規(guī)劃中，已將建設(shè)10個

國家百億億級超級計算中心的目標(biāo)納入其中。全球其他國家正在尋求制造百

億億次機(jī)器，但它們的先進(jìn)程度低于中國、美國或日本。這份名單包括韓國，它的目標(biāo)是在2030之前實(shí)現(xiàn)本土處理器的國家百億億次計算機(jī)，而歐洲則尋求在2022年至2023年之前部署百億億次計算機(jī)。

歐洲的計算能力迎頭趕上

2018年，歐洲投資銀行(EIB)行長遺憾地表示，“雖然全球?qū)PC能力的需求有

三分之一來自歐洲工業(yè)、中小企業(yè)和研究人員，但只有5%的HPC能力由歐洲本土HPC中心提供。“

歐洲計算能力的極限

法國公司Atos?Bull是歐洲唯一的超級計算機(jī)硬件公司。Bull在1964年被通用電氣收購并離開。此后法國啟動了“計算計劃”，以支持法國國家計算能力的出現(xiàn)。Bull最終在1982年被國有化并在1994年重新私有化。最終，Atos在2014年接管了Bull。

在過去的二十年里，Bull和Atos?Bull一直是超級計算機(jī)業(yè)務(wù)的重要參與者。

自2001年以來，在啟動(法國能源和原子能委員會（CEA）)核模擬計劃五年后，CEA與Bull建立了合作關(guān)系，后者于2005年向CEA交付了第一臺機(jī)器（TERA?10）。到2012年，Bull擁有三臺機(jī)器進(jìn)入世界前20名。今天，Atos?Bull繼續(xù)提供CEA與仿真技術(shù)，以及供法國武裝部隊使用。如今，下一代核武器對3D計算的需求正在推動對更強(qiáng)大的計算機(jī)的搜索和對百億億次機(jī)器的需求。

但Atos和其他歐洲公司并沒有出現(xiàn)在超級計算機(jī)的整個生產(chǎn)周期中。Atos

擁有自己的互連系統(tǒng)(BXI)，但處理器依賴于非歐洲制造商：美國公司AMD、英特爾和英偉達(dá)。正如Atos的一位代表所建議的那樣，該公司在處理單元供應(yīng)商方面確實(shí)不盡人意。然而，法國和歐盟當(dāng)局已將歐洲供應(yīng)商的缺失視為一個問題，并尋求替代解決方案。2019年，CEA軍事部門負(fù)責(zé)人估計，雖然CEA一直在與英特爾合作，但未來應(yīng)該有“一個主權(quán)的歐洲處理器”。

另一個問題是公共采購的選擇。政府采購計劃是HPC硬件供應(yīng)商利潤來源的關(guān)鍵。當(dāng)公司幾乎沒有機(jī)會向國外市場銷售時，尤其如此。今天，美國和中國對外國供應(yīng)商保持市場關(guān)閉。在美國，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)目前在購買超級計算機(jī)方面受到“購買美國貨”要求的大力支持。

因此，像Atos這樣的歐洲公司無法將其機(jī)器出口到美國或中國，其市場主要位于歐洲（包括英國）、巴西和印度。而且，與美國或中國不同的是，在歐盟公共采購并不總是有利于本地供應(yīng)商。令人驚訝的是，CNRS最大和最新的超級計算機(jī)JeanZay是HPE制造的，而不是Atos制造的。

另一個限制是歐洲公司缺乏基于云的HPC服務(wù)。歐洲的云服務(wù)供應(yīng)商仍然主要

是美國公司。例如，法國公司Atos與GoogleCloud合作，為數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)提供混合云解決方案。這對數(shù)據(jù)安全來說并非沒有問題。因此，EIB推動了歐洲云產(chǎn)品的開發(fā)，包括HPC應(yīng)用程序。

最后，歐洲存在資金問題，歐洲投資銀行在2018年呼吁對基礎(chǔ)設(shè)施、大數(shù)據(jù)訪問和量身定制的復(fù)雜軟件解決方案進(jìn)行大量投資。MariyaGabriel的調(diào)查顯示歐洲的數(shù)字經(jīng)濟(jì)規(guī)模與美國、中國或日本相比，歐洲HPC每年的資金缺口為5億至7.5億歐元。該報告的一個結(jié)論是，歐洲沒有一個國家本身有能力可持續(xù)地建立以及維持百億億級HPC的生態(tài)系統(tǒng)。；

更多計算能力的計劃：

EuroHPC聯(lián)合承諾

隨著大規(guī)模計算變得越來越普遍，HPC已成為近年來大多數(shù)歐盟成員國的優(yōu)先考慮問題。從2015年開始，在美國和中國都制定了HPC計劃之后，這一

需求變得更加緊迫。因此，歐洲也面臨著以百億億級計算機(jī)為目標(biāo)的壓力，并使歐洲不僅成為消費(fèi)者，而且成為計算能力的生產(chǎn)者。在歐洲，現(xiàn)任歐盟工業(yè)專員、當(dāng)時的Atos首席執(zhí)行官蒂埃里·布雷頓(ThierryBreton)強(qiáng)烈支持該倡議。結(jié)果是歐洲范圍內(nèi)的新HPC倡議和資金，作為歐洲數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施更

廣泛議程的一部分。

歐洲正在進(jìn)行兩項計劃：一項建造歐洲超級計算機(jī)的計劃，包括被稱為EuroHPC聯(lián)合承諾的百億億次高性能計算，以及一項開發(fā)用于超大規(guī)模計算的歐洲微處理器的計劃，稱為歐洲處理器計劃或EPI。2017年，七個成員國德國、葡萄牙、法國、西班牙、意大利、盧森堡和荷蘭。簽署了建立EuroHPC聯(lián)合承諾的聲明。法律和資助實(shí)體成立于2018年。在EuroHPC于2020年9月成立之前，歐盟委員會的DGConnect做了很多初步工作。與此同時，兩個私人參與者（大數(shù)據(jù)價值協(xié)會和ETP4HPC）加入了公眾?私人伙伴關(guān)系，以及包括挪威和土耳其（但不包括英國）在內(nèi)的幾個國家?達(dá)到33個成員。

在2019?2021年的初始階段，JU的預(yù)算為10億歐元。2021年7月13日，歐洲理事會通過了一項關(guān)于建立EuroHPC的法規(guī)，從而允許現(xiàn)有活動繼續(xù)進(jìn)行。新法規(guī)將增加該倡議的預(yù)算、人員配備和任務(wù)。2021?2027年的EuroHPC資金（由參與國匹配）將來自DigitalEurope（20億歐元）、HorizonEurope（9億歐元）和ConnectingEurope設(shè)施（2億歐元）。

這筆資金將用于雙重目標(biāo)：在歐洲部署一流的超級計算基礎(chǔ)設(shè)施以滿足用戶的需求，并為歐洲的HPC技術(shù)開發(fā)一個研究和創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)。JU的目標(biāo)是到2023年部署兩臺exascale機(jī)器，由法國和德國主導(dǎo)建設(shè)。在法國，CEA和Atos?Bull之間的GENCI的合作正在推動HPC向exascale和post-TERA級別計算能力的發(fā)展。

2020年11月，他們選擇集成Fugaku的富士通A64FX處理器技術(shù)，開發(fā)法國第一臺百億億次計算機(jī)。

在建造exascale機(jī)器之前，已經(jīng)選擇了歐洲各地的八個托管實(shí)體來托管五臺

petascale和三臺preexascale機(jī)器。5臺petascale機(jī)器每臺的價值將在1200

萬至3000萬歐元之間。第一臺計算機(jī)是Atos制造的Vega，于2021年3月在斯洛文尼亞落成。

該計劃還包括三臺pre?exascale機(jī)器（1017flop/s）。目前正在建設(shè)中的兩個：一個，芬蘭的LUMI（CrayHPE，帶有AMDCPU和GPU）；第二個是意大利的Leonardo（使用NvidiaGPU建造的Atos），分別價值1.44億歐元和1.2億歐元。第三個是MareNostrum，將位于巴塞羅那超級計算中心。

歐洲超級計算機(jī)的未來：

能源效率和技術(shù)主權(quán)？

EuroHPC機(jī)器的使用比例將分配給歐洲科學(xué)、工業(yè)和公共部門用戶，以最大限度地發(fā)揮這些系統(tǒng)的能力。事實(shí)上，與部署基礎(chǔ)設(shè)施同步的EuroHPC的第二個目標(biāo)是為歐洲的HPC開發(fā)一個R&I生態(tài)系統(tǒng)，其中包括硬件和軟件能力、應(yīng)用程序、培訓(xùn)和技能。該生態(tài)系統(tǒng)反過來應(yīng)該有助于歐洲的雙重議程:綠色協(xié)議和技術(shù)主權(quán)。

能源消耗正在成為計算能力和數(shù)據(jù)經(jīng)濟(jì)擴(kuò)展的主要問題。計算能力和能源的巨大增長在很大程度上歸功于機(jī)器學(xué)習(xí)程序的訓(xùn)練。除了環(huán)境考慮之外，這還具有經(jīng)濟(jì)成本。超級計算機(jī)每年的電費(fèi)高達(dá)數(shù)千萬歐元。Fugaku耗電量為30至40兆瓦，相應(yīng)的年成本高達(dá)每年4000萬歐元。

作為歐洲綠色協(xié)議的一部分，任何在歐洲開發(fā)高性能計算的計劃都必須解決能源效率問題。歐洲已經(jīng)在Green500排名中處于有利位置，這是Top500的另一個排名，該排名著眼于超級計算機(jī)的功率效率（以GFlops/Watt為單位）：前10名中有四臺Atos?Bull機(jī)器，這比常規(guī)計算算力排名中只有一臺Atos?Bull機(jī)器進(jìn)入前10名優(yōu)勢明顯。歐盟打算繼續(xù)沿著這條道路前進(jìn)。作為EuroHPC的一部分，申請托管機(jī)器的實(shí)驗室必須在能源效率使用方面堪稱典范。例如，正在芬蘭安裝的LUMI將由附近河流的水力發(fā)電。

在處理器方面，歐洲的綠色協(xié)議和技術(shù)主權(quán)這兩個議程正在走到一起。

歐洲低功耗微處理器

被稱為歐洲處理器倡議(EPI)的歐洲低功耗微處理器項目于2015年啟動，并

于2018年正式啟動。它聚集了28個公共和私人合作伙伴，包括CEA、意法半導(dǎo)體、寶馬以及各種大學(xué)和研究實(shí)驗室,并由Atos協(xié)調(diào)。EPI將為HPC應(yīng)用創(chuàng)建高級處理器。第一代處理器的主要指導(dǎo)方針于2019年6月宣布，隨著負(fù)責(zé)芯片設(shè)計的初創(chuàng)公司SiPearl的運(yùn)營推出，這一愿景進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。第一個處理器原型Rhea（主要基于英國公司ARM的設(shè)計）于2020年1月推出。SiPearl希望在2022年推出Rhea，并在2023年按時交付歐洲百億億級超級計算機(jī)。SiPearl旨在為自動駕駛汽車、邊緣計算和數(shù)據(jù)中心等其他更大的市場開發(fā)其他微處理器。

EPI的處理器旨在實(shí)現(xiàn)極高的能效：SiPearl承諾它將把超級計算機(jī)的能耗減

半。原則上，它們還旨在實(shí)現(xiàn)一個政治和戰(zhàn)略目標(biāo)，因為它們“在歐洲被自豪地確立為歐洲的技術(shù)主權(quán)”。然而，在這一點(diǎn)上，歐洲企業(yè)面臨著投資不足：目前HPC部門主要由國家或歐洲預(yù)算和贈款提供資金，但缺少私人投資以使其可行。最后，值得注意的是，處理器確實(shí)將在歐洲設(shè)計，但芯片很可能由臺積電制造。