1、Supercomputer Research Report AMiner 超级计算机研究报告 概述篇 技术篇 人才篇 市场篇 目录 趋势篇 概述篇 超级计算机相关概念超级计算机发展脉络典型超级计算机简介 （1）什么是超级计算机？ （2）超级计算机评价体系有哪些？ （3）超级计算机有何研究价值？ （1）国防驱动阶段 （2）公司主导阶段 （4）多向发展阶段 （1）Summit （3）蓬勃发展阶段 （2）神威太湖之光 （3）Sierra 1.1超级计算机相关概念 超级计算机当前以每秒钟浮点运算速度（flops） 为主要衡量单位。 目前，超级计算机领域顶尖研究机构正在针对E级 （Eflops=1018

2、flops）系统的研发进行激烈竞争。 现状 TOP500是业界公认的超级计算机性能排行榜。 Green500是针对超级计算机能效的排行榜。 戈登贝尔奖被认为是超级计算应用领域的诺贝尔奖。 超级计算机评价体系有哪些？ 超级计算机在天气预测、污染检测与防控、石 油气勘探与地震预测、工程仿真、动画效果渲 染等领域已经创造了不可估量的价值。 超级计算机有何研究价值？ 超级计算机又称高性能计算机、巨型计算机 等，在计算速度、存储容量等方面有着普通 计算机所不具备的超高性能。. 什么是超级计算机？ 定义 概述篇 1.2超级计算机发展脉络 国防驱动阶段 1950smid-1960s 公司主导阶段 mid-1

3、960s1970s 蓬勃发展阶段 1980s1990s 多向发展阶段 21世纪以来 概述篇 军事目标下的 国家资助模式 成本降低、 向量处理起步 日本崛起、 并行计算流行 中国赶超、 异构集群系统夺魁 1.3典型超级计算机简介 Summit，代号“OLCF-4”，擅长人工智能、机 器学习和深度学习方面的运算。 Summit 神威 太湖之光是中国大陆首个不使用英特尔等美 国公司的核心产品而登上TOP500第一名宝座的超 级计算机。 神威 太湖之光 Sierra，代号ATS-2，是IBM为美国能源部下属的 劳伦斯利福摩尔国家实验室建造的超级计算机。 Sierra 最新 的超级计算https机 TO

4、P500前三进行简单 介绍 概述篇 技术篇 基础层：以异构并行为基础 的超级计算机组成 中间层：六类设备+三大网 络 应用层：解决方案 （2）生物医药与智能医疗 （2）架构分类 （1）六类设备 （3）最新发展 （2）三类网络 （3）基本原理 （1）石油气勘探 （1）基本原理 （3）工程仿真与航天器研发 （4）天气预报与雾霾预警 （5）海洋环境工程 （6）建筑信息模型 （7）基础科学研究 超级计算机技术分层 超级计算机技术有三个层次：基础层、中间层和应用层。其中，基础层主要应用层涉及超级计算机使用场景，而中间层则包含 了数据存储、计算、管理等多重技术支持，正是有了中间层的链接，超级计算机原理才能

5、落实到应用问题解决之中。 技术篇 2.1基础层：以异构并行为基础的超级计算机组成 基本原理 超级计算的基本原理是并行计算。 超级计算的性能优化之一是提高并行可 扩展性。目前来看，硬件层面并行化的 实现手段为：多重执行单元等。 架构分类 当今的超级计算机系统大多以MIMD方 式工作。 按照并行计算方式存储器是共享还是分 布，可以将超级计算机系统的架构作如 下划分： 最新发展 自1996年以来，由于挑战性应用问题的 急切需求，加快了计算机系统结构的演 变和发展进程。. 进入21世纪之后，采用专用处理器或者 附属加速处理器的方式加以实现。 技术篇 2.2 中间层：六类设备+三大网络 当前HPC的主要

6、架构包括Cluster集群和 MPP（大规模并行处理）两种，典型的 HPC集群系统主要由五类计算（或网络） 设备和三类网络组成。 六类设备 登录节点，用户通常登录到这个节点 上编译并提交作业. 01. 管理节点，负责监控各个节点和网络 运行状况。 02. 交换设备，集群节点之间需要通过网 络连接在一起 05. 计算节点，用于执行计算，一般可以 分为瘦节点和胖节点 03 异构节点，目前的异构节点通常同时 使用CPU及加速器设备 04. I/O设备和存储设备，每台执行任务的 计算节点须访问同样的数据 06. 技术篇 2.2 中间层：六类设备+三大网络 存储网络，需要向高性能计算 机的节点提供数据访

7、问服务。 计算网络，用于各计算节点之间的互 联，是并行任务执行时进程间通信的 专用网络。 管理网络，用于管理节点和各 个计算节点、I/O节点的互联。 三大网络 技术篇 2.3 应用层：解决方案 1 石油气勘探 3 工程仿真与航天器研发 2 生物医药与智能医疗 4 天气预报与雾霾预警 5 海洋环境工程 6 建筑信息模型 技术篇 7 基础科学研究 2.3 应用层：解决方案 长期以来，油气地球物理勘探技术的发展与 应用高度依赖于包括高性能计算技术在内的 信息技术的发展。 石油气勘探 基于“天河一号”开展的石油勘探数据处理程 序，实现了复杂地质条件下上千平方公里数据 的逆时偏移处理。 解决方案与服务内

8、容包括：测试服务；偏 移处理服务，应用并行优化开发服务。 技术篇 依托高性能计算、云计算、大数据及人工智能等技术的高度发展，使国 民健康行业走向真正意义上的智能化。 生物医药与智能医疗 依托高性能计算相关科学研究和项目合作，可以整体提高行业和企业的竞争力。 生物医药（Biological Medicine） 通过打造医疗信息平台等，结合大数据等关键技术，提高临床疾病的诊断效率 和精度。 智能医疗（Intelligent Medical） 案例：“天河一号”支持华大基因开展大规模生物基因处理及数据存储： 开发了基于GPU的高效基因测序处理软件，并利用该软件进行了3000 株水稻的基因组重测序分析

9、 2.3 应用层：解决方案 案例 工程仿真CAE利用计算机辅助求解力学性能的分析计算 结果。其核心思想是结构离散化，得出满足工程精度的 近似结果。 工程仿真与航天器研发 案例：在航空发动机研制中，气动稳定性是最重要的技术标准之一。 技术篇 某型航空发动机内部三维流动工程仿真效果图 人们可以模拟越来越大规模的微观系统，从而极大地增强了对 自然的认知能力。用来模拟微观世界中原子和分子的相互作用 和行为。 基础科学研究 案例： 使用并行程序进行密度泛函理论（DFT）计算已经成为材料 科学、固体物理、计算化学、计算生物学等领域内必不可少的 研究手段之一； 并行实现的高精度耦合簇理论（CC）和组态相互作

10、用（CI） 方法被许多量子化学计算程序采用，成为计算化学的主要工具； 2.3 应用层：解决方案 案例 数值天气预报将气象数据和边界参数导入方程求 解，从而预测大气变化和状态的科学。 天气预报与雾霾预警 业务流程大致为：气象数据收集和预处理、数值天气预报流程、综 合数值天气预报、天气学与统计学等输出预报结果。它是典型的计 算密集型应用（Computing-Intensive）， 案例：国家超级计算长沙中心为中 部某省气象局提供了数值天气预报 计算的平台支持，以提高天气预报、 气候预测的及时性、准确性、可靠 性和精细化。 技术篇 某型航空发动机内部三维流动工程仿真效果图 2.3 应用层：解决方案

11、案例 从海洋环流数值模拟到空气质量实时监测，再到海洋 灾害预报等，实现海洋环境数值预报的精确性。 海洋环境工程 广州市香港科大霍英东研究院建立的CMOMS数值模拟系统， 为应对中国海域及其附近海域的气候变化提供参考与支持。 案例：“神威 太湖之光”超级计算机实现了MASNUM海浪数值模拟的（1/60）高分辨率的全 球海洋模式，模式成功扩展到8,519,680核数，达到最高30.07Pflops的峰值性能。 技术篇 利用“神威 太湖之光“模拟的全球（a）与区域（b）重要海浪高度分布 2.3 应用层：解决方案 案例 建筑信息模型（Building Information Modeling，简 称B

12、IM）是一项将建筑与信息相结合的综合技术。 建筑信息模型 通过高性能计算机系统对建筑过程中产生的主要数据进行存储处理， 提高工程效率与质量，为推动智慧城市的建设与发展起到重要作用。 案例：天河BIM云平台以工程仿真系统、大数据平台和云平台为 依托，为产业园建设提供四类服务： BIM远程可视化建模平台，即可进行BIM远程可视化建模。 BIM协同设计服务，实现不同参与方、不同专业的多地点、实 时协同工作。 技术篇 远程可视化建模 学者概况 学者概况 12 代表性研究学者 51243 学者分布图 学者统计图h-index比例图男女比例图 人才迁徙图 国外学者国内学者 人才篇 学者概况国外学者国内学者

13、 学者概况 AMiner以“supercomputer”为关键词，对超级计算领域全球TOP1000的学者进行分析。 由上图可得：美国人才最多、最为集中，中国紧随其后，英国等也有不少超级计算机人才。这与国家超级计算机发展水平呈正相关。 全球学者分布图 人才篇 学者概况 AMiner选取超级计算机领域排名TOP1000的专家学者的迁徙做了分析。 由上图可得，美国是超级计算机领域人才流动大国。 英国、中国等国人才流动量落后于美国，英国和中国的人才流入量大于流出量，德国和加拿大有轻微的人才流失现象。 全球学者迁徙图 人才篇 学者概况 全球超级计算机领域TOP学者h-index指数 10的人数最多，占比

14、67.17%， h-index指数在10-19之间的学者人数次之， 占比16.52%， h-index指数60和在50-59之间的学者人 数最少，前者占比1.21%，后者占比0.71%。 全球TOP1000学者h-index分布图 人才篇 67.17% 16.52% 8.08% 3.94% 2.52% 1.21% 0.71% 1010-1920-2930--59 学者概况全球学者男女比例图 全球超级计算机TOP学者男性占97%，女性占3%，男女人数相差悬殊。 male 97% female 3% malefemale 人才篇 学者概况 由全国学者分布图放大后，绘制了该领域

15、学者的中国分布地图。由图可知：超级计算机学者在中国集中于北京及广州等地方。 中国学者分布图 人才篇 国外学者 Jack DongarraIan T.FosterMarc SnirBronis R.De Supinski 美国田纳西大学电子工程 和计算机科学系的计算机 科学杰出教授。在曼彻斯 特大学的计算机科学和数 学学院拥有图灵奖学金。 新西兰裔美国人计算 机科学家。数据科学 与学习部门的主任， 也是芝加哥大学计算 机科学系的教授。 以色列美国计算机科 学家。擅长计算复杂 性、并行算法、并行 体系结构、互连网络 等细分领域。 劳伦斯利弗莫尔国家实 验室项目的首席技术官， 主要研究包括数据挖掘

16、技术及其在性能分析和 建模上的应用 国外代表性研究学者 Satoshi Matsuoka 日本东京工业大学教 授，研究大型超级计 算机和类似基础设施 的系统软件。曾获得 “戈登 贝尔”奖 人才篇 国内学者 杨广文廖湘科钱德沛王恩东 清华大学博导，高性 能计算技术研究所所 长、计算机系学术委 员会副主任。他擅长 分布式信息服务与集 成技术等，曾获 “戈 登 贝尔”奖。 现任国防科技大学计 算机学院院长、天河 二号总设计师。长期 从事高性能计算机系 统软件与通用操作系 统的科研工作。 北京航空航天大学教 授，中山大学数据科 学与计算机学院院长、 教授。研究高性能计 算机体系结构、分布 式系统等。

17、中国工程院院士，高效 能服务器和存储技术国 家重点实验室主任。在 开放计算领域都达到了 国际领先水平。 国内代表性研究学者 杨超 中国科学院软件研究 所研究员，荣获 “戈 登贝尔”奖。在大气 动力学模拟的全隐式 求解器算法和软件研 究方面辛勤耕耘。 人才篇 市场篇 各国排名进入TOP500的计算 机数量情况 超级计算机TOP500前十的 情况 国际高性能计算大会榜单 由榜单可得，中国已成为全球拥有最多超级计算机的国家，全球TOP500的超级计算机中，有206台是中国研制，美国则拥有124台。 各国排名进入TOP500的计算机数量情况（2018年6月） 市场篇 排名国家和地区排名进入TOP500

18、的计算机数量所占百分比处理器总数 1中国20641.2%25,107,680 2美国12424.8%15,829,720 3日本367.2%7,170,408 4英国224.4%1,678,220 5德国214.2%1,422,814 6法国183.6%1,816,720 7荷兰91.8%424,800 8韩国71.4%843,300 9爱尔兰71.4%334,824 TOP500前十排名 2018年6月超级计算机TOP500前十 由图可知，除了排名第二的神威 太湖之光，前五名中的其余四个都是新建或是大幅升级过的系统。 市场篇 排名名称国家场所供应商 1Summit美国橡树岭国家实验室国际商业

19、机器公司 2神威 太湖之光中国国家超级计算无锡中心 国家并行计算机工程技术研究中 心 3Sierra美国劳伦斯利福摩尔国家实验室国际商业机器公司 4天河-2A中国国家超级计算广州中心 中国人民解放军国防科学技术大 学 5ABCI日本国家先进工业科学技术研究所富士通株式会社 6代恩特峰瑞士瑞士国家超级计算中心克雷公司 7泰坦美国橡树岭国家实验室克雷公司 8红杉美国劳伦斯利福摩尔国家实验室国际商业机器公司 9Trinity美国洛斯阿拉莫斯国家实验室克雷公司 10Cori美国国家能源研究科学计算中心国际商业机器公司 趋势篇 速度大幅提升与AI、VP融合量子计算机生物计算机 当前，世界TOP500的

20、超级计算机，基本都可 以达到P级 （1Pflot=1015flops）运 算速度。 预计2020年全球数据量 将超过4万亿GB，这些海 量的大数据通过最新的深 度学习技术将为人类社会 创造难以估量的价值。 2017年年底，IBM宣布 全球首台50个量子比特 的量子计算原型机，被 媒体认为最快超级计算 机“神威 太湖之光”。 生物计算机也称仿生 计算机，主要原材料 是生物工程技术产生 的蛋白质分子，能模 仿人脑的机制等。 近期热度图 AMiner通过挖掘1980-2017年间超级计算机领域论文信息，计算出超级计算机近期热点。图中每个彩色分支表示一个关键词领域， 其宽度表示该关键词的研究热度，各关

21、键词在每一年份（纵轴）的位置是按照这一时间点上所有关键词的热度高低进行排序。 趋势篇 版权声明 AMiner研究报告版权为AMiner团队独家所有，拥有唯一著作权。AMiner咨询产品是AMiner团 队的研究与统计成果，其性质是供用户内部参考的资料。 AMiner研究报告提供给订阅用户使用，仅限于用户内部使用。未获得AMiner团队授权，任何人 和单位不得以任何方式在任何媒体上（包括互联网）公开发布、复制，且不得以任何方式将研究报告 的内容提供给其他单位或个人使用。如引用、刊发，需注明出处为“AMiner.org”，且不得对本报 告进行有悖原意的删节与修改。 AMiner研究报告是基于AMi

22、ner团队及其研究员认可的研究资料，所有资料源自AMiner后台程序 对大数据的自动分析得到，本研究报告仅作为参考，AMiner团队不保证所分析得到的准确性和完整 性，也不承担任何投资者因使用本产品与服务而产生的任何责任。 www.islide.cc 32 公司名称国家时间 IBMSummit美国2018.06 今 国家并行计算机工程技术研究中心神威 太湖之光中国2016.6-2017.11 国防科技大学天河-2中国2013.06-2016.06 克雷公司（Cray）Titan美国2012.11-2013.06 IBM蓝色基因/Q美国2012.06-2012.11 理化学研究所京(超级计算机)

23、日本2011.06-2012.06 国防科技大学天河-1中国2010.11-2011.06 Cray美洲虎(超级计算机)美国2009.11-2010.11 IBM走鹃(超级计算机)美国2008.06-2009.11 IBM蓝色基因/L美国2004.11-2008.06 日本电气（NEC）地球模拟器日本2002.06-2004.11 IBMASCI White美国2000.11-2002.06 英特尔ASCI Red美国1997.06-2000.11 日立CP-PACS日本1996.11-1997.06 日立SR2201日本1996.06-1996.11 富士通数值风洞日本1994.11-1996.06 英特尔Paragon XP/S140美国1994.06-1994.11 富士通数值风洞日本1993.11-1994.06 TMCCM-5美国1993.06-1993.11 扫码关注 下载报告