本
文
摘
要
一、中国
中国已经是世界首屈一指的超级计算机强国。据早在2017年最高性能计算机TOP500公布的榜单，中国已经取代美国成为世界上拥有超级计算机数量最多的国家。英国广播公司（BBC）当时报道称，中国目前拥有202个全球最高性能计算机。相比之下美国只有143个。
BBC认为，中国在研究与开发方面的支出占世界总量的20%。中国最快的计算机——“神威太湖之光”曾经以93.015PFlops的实测持续运算性能继续保持“世界运算速度最快计算机”的地位。
中国超级计算机总算力占比为32.3%全球排名第二。从总算力上来看，美国超算占比为37.1%。
2021年，世界500强超级计算机名单中，中国超级计算机有186台，美国超级计算机有123台。从超级计算机算力来看，美国超级计算机算力856.8Pflop/s，中国超级计算机只有445.3Pflop/s。
世界超级计算机500强是指国际TOP500组织发布的，全球已安装的超级计算机系统排名，始于1993年，由美国与德国超算专家联合编制，以超级计算机基准程序Linpack测试值为序进行排名，每年发布两次，其目的是促进国际超级计算机领域的交流和合作，促进超级计算机的推广应用。中国研制的曙光4000A和曙光5000A超级计算机曾两次位居世界第10名。
历史上，1956年，中国制定的《十二年科学技术发展规划》中，就把计算机列为发展科学技术的重点之一，并在1957年筹建了中国第一个计算技术研究所。中国计算机事业的起步比美国晚了13年，但是经过老一辈科学家的艰苦努力，中国与美国的差距逐渐缩小。比如2002年8月10日，中国成功制造出首枚高性能通用CPU——龙芯一号。此后龙芯二号龙芯三号问世，龙芯的诞生打破了国外的长期技术垄断，结束了中国近二十年无“芯”的历史。
作为国之重器，中国超级计算机发展十分迅速。从数量来看，在2019年11月的第54届超算五百强中，中国上榜数量有227个，排名第一。中国境内超算上榜数连续五次蝉联第一。尤其是近年新一期全球超级计算机500强榜单公布显示，使用中国自主芯片制造的“神威太湖之光取代“天河二号”登上榜首，中国超算上榜总数首次超过美国，名列第一。
值得一提的是，“神威·太湖之光”计算机系统由国家并行计算机工程技术研究中心研制，落户在国家超级计算无锡中心，2015年12月21日完成整机系统性能测试，目前由清华大学负责运营。
“神威·太湖之光”的研制是“十二五”期间国家863计划信息技术领域的重要部署，也是国家长期支持、技术积累的成果。这套超级计算机系统取得了三大突破，其峰值性能、持续性能、性能功耗比三项关键指标均居世界第一。
一是数量级的突破。神威·太湖之光属于全球第一台运行速度超过10亿亿次/秒的超级计算机，峰值性能高达12.54亿亿次/秒，持续性能达到9.3亿亿次/秒，接近“天河二号”的3倍。根据统计，“神威·太湖之光”一分钟的计算能力相当于全球72亿人同时用计算器不间断计算32年。
二是中国自主研发的突破。与“天河二号”采用INTEL处理器不同，“神威·太湖之光”全部采用自主中国芯:“申威26010”众核处理器。在国家超级计算无锡中心1000平米的主机房内，整齐排布着两组共40个运算机仓，每个机仓容纳1024个芯片，共计40960个芯片。据介绍，其单芯片的计算能力相当于3台2000年全球排名第一的超级计算机，当前性能指标达到国际领先水平。
三是绿色节能的突破。众所周知，之前超级计算机的用电量堪比一个大城市，业界因此把能效比作为衡量其先进性的一项重要指标。“从低功耗、高集成度的处理器设计，到高速高密度的工程实现技术;从世界领先的高效水冷技术，到软硬件协同、智能化的功耗控制方法，‘神威·太湖之光’实现了层次化、全方位的绿色节能，功耗比达到每瓦特60.51亿次运算。”
国家超级计算无锡中心已经承接了国内30多个重大应用项目。其中，清华大学地球系统科学研究中心在“神威·太湖之光”计算机系统上首次实现了百万核规模、高分辨率的地球系统数值模拟。中国的地球模拟系统模式只能达到200公里网格规模的分辨率，现在已可以开展25公里网格分辨率的地球系统模拟工作，甚至在海洋上还可以达到10公里。
中国拥有这套计算机系统，可以在30天内完成未来100年的地球气候模拟，更为重要的是，它将全面提升我国应对极端气候事件和自然灾害的减灾防灾能力，同时大大增强我国在全球温室气体减排谈判中的科学话语权。再比如国家计算流体力学实验室对“天宫一号”返回路径的数值模拟结果，将为“天宫一号”返回提供精确预测；比如上海药物所开展的药物筛选和疾病机理研究，短短2周便完成常规需要10个月的计算，大大加速了白血病、癌症、禽流感等方向的药物设计进度。
值得一提的是，戈登贝尔奖被喻为计算机高性能应用领域的诺贝尔奖。早在2016年度戈登贝尔奖的6个提名中，“神威·太湖之光”就占了3个，分别涉及大气、海洋、材料三个领域的应用。“神威·太湖之光”创纪录之后，百亿亿次量级计算机的研制也已经列入了我国“十三五”的攻坚目标。
二、美国
美国是全球超级计算机的重要强国。2021年世界十大超级计算机，美国占据了50%！比如排名第二的顶点Summit，它是IBM和美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）推出的新超级计算机，Summit 要比神威·太湖之光快 60%，比同在橡树岭实验室的 Titan——前美国超算记录保持者要快接近 8 倍。而在其之下，近 28,000 块英伟达 Volta GPU 提供了 95% 的算力。
比如排名第三的Sierra超级计算机。排名第五的Perlmutter 超级计算机在美国国家能源研究科学计算中心 (NERSC) 服务于天体物理学、气候科学等方面，Perlmutter 中含有 6,159 个 NVIDIA A100 Tensor Core GPU，是世界上最大的 A100 动力系统。排名第六的SELENE该系统处理器个数由27760个升级到555520个，Rmax由27580提升到了63460，倍增。排名第十的 Voyager-EUS2 ，具有48个内核、2.45GHz的AMD EPYC处理器与具有80 GB内存的 NVIDIA A100 GPU 配合。
美国作为超级计算机世界的“老牌帝国”，整体实力十分强劲。值得一提的是，美国面对其他国家在超级计算机领域的竞争，主要采取三个方面的战略：一是加大投资。美国能源部表示， *** 正在完成国家战略计算计划的目标：加速百亿亿次级计算系统的研制，增加用于建模和模拟的技术和用于数据分析计算的技术之间的连贯性，制定后摩尔定律时代的发展路径。二是全面发展。美国 *** 拥有700多个国家实验室，包括1500多处研发设施，每年研发经费总额超过1000亿美元。据报道，美国伊利诺伊大学的国家超级运算应用中心、橡树岭国家计算机科学研究中心等都在加紧研制“具有革命性”的下一代超级计算机。三是控制技术外流。早在2015年，美国 *** 曾经发布命令，禁止英特尔将其运行速度最快的计算机芯片供应给外国顶尖的超级计算机项目。
自1976年美国克雷公司推出了世界上首台运算速度达每秒2.5亿次的超级计算机以来，超级计算机在诸如天气预报、生命科学的基因分析、核工业、军事、航天等高科技领域大显身手。
上世纪80年代，美国制造的超级计算机可以说是一枝独秀，但到了90年代中期以后，日本的超级计算机后来居上，一举打破了“超级计算机美国造”的神话。天半是进入21世纪的最近10年，世界各国在超级计算机领域的竞争更加激烈，日本、中国以及欧洲国家都在奋起直追。比如2010年，中国造“天河一号”成为当年全球最强的超级计算机，引起国际社会的广泛关注。2013年至2015年，中国造“天河二号”连续三年荣登全球超级计算机500强榜首。尤其是中国的“神威·太湖之光”和“天河二号”曾经在全球超级计算机500强排名中斩获冠亚军。中国经过几十年的不懈努力，中国的高性能计算机研制水平显著提高，成为继美国、日本之后的第三大高性能计算机研制生产国。
埃尔卡札威曾经说，“如果你精通了超级计算机领域的技术，毫无疑问，你在未来就占有优势，因为这会决定你在未来资讯领域有多成功，而资讯领域已经成为几乎所有事物的骨干，不管是产业还是服务方面。”因此，不仅美国在超算领域加速开发，其他国家也在加倍努力。目前，除了美国外，中国、日本和欧洲都已宣布下一代每秒百亿亿次超算研制计划。专家预计，未来全球超级计算机500强榜单的榜首位置将有可能出现多国交替占据的态势。
美国《华盛顿自由灯塔》网站之前曾经刊登文章，称美国国家安全局（NSA）和能源部共同提交的一份研究报告中，估算了中国最新超级计算机“太湖之光”的性能，认为美国在超算领域可能将失去领先地位，而这将“严重威胁美国的国家安全”。这份报告中说：“国家安全需要尽可能提高计算能力，失去超算领域的领先地位将严重影响国防安全。”该报告称，超级计算机在设计、发展和分析几乎所有现代武器系统中都扮演了关键角色。
三、日本
日本是全球首屈一指的超级计算机强国。比如日本在2021超级计算机TOP500中，日本的“富岳”蝉联冠军。日本的Fugaku（富岳），峰值性能为537212.00Tflops（Tflops为每秒万亿次浮点运算），持续性能则为442010.00Tflops。第2名是美国的Summit（顶点），峰值性能为200794.90Tflops，持续性能则为148600.00Tflops。第3名是美国的Sierra（山脊），峰值性能为125712.00Tflops，持续性能则为94640.00Tflops。第4名是中国的“神威太湖之光”，峰值性能为125435.90Tflops，持续性能则为93014.60Tflops。
若按持续性能计算，日本的“富岳”差不多是后面2~6名算力的总和，即使按峰值性能计算，“富岳”也是后面2~5名算力的总和，可以看出日本超算实力还是很强的。从核心数量看，中国的“神威太湖之光”则是最多，达到10649600个，而“天河二号”具有4981760个核心，总数居第3名。
日本科学家创造了有史以来最快的计算机。日本超级计算机“ Fugaku”在完成某些现实世界任务的速度方面处于官方排行榜的首位。被誉为世界上最快的超级计算机。目前它正在利用其非凡的能力来识别冠状病毒的潜在治疗方法。
Fugaku超级计算机每秒可以执行超过415次的万亿次运算，比美国Oak Ridge国家实验室开发的Summit系统的速度 *** .8倍Fugaku由日本科技巨头Fujitsu和Riken在过去六年中开发，Fugaku包含15万个高性能处理单元，每周可测试数千种物质。
超级计算机的速度是普通计算机的1000倍以上，可以用来模拟核爆炸，执行虚拟武器测试以及为气候系统建模。据《日经》商业报纸报道，在地震活跃的日本，Fugaku将模拟地震和海啸的影响，并绘制逃生路线。值得一提的日本的K超级计算机是世界上第一台每台可进行10亿次以上万亿次计算的超级计算机。日本曾在2011年的时候，日本凭借K超级计算机拿下了TOP500冠军，是世界上第一台每秒执行10万亿次运算的超级计算机，使用的是日本富士通研发的SPARC64处理器。
值得一提的是，根据《日本经济新闻》指出，“富岳”曾经是日本投入1300亿日元（约合人民币86亿元）国家经费的项目。除了用于开发划时代的药物和材料、应对地震及海啸等之外，还可以应用于探索宇宙进化等研究，2021年开始正式运用后，希望提升日本的研发能力和产业竞争力。
但是日本共同社则认为，“富岳”研发的背景是超算“京”的失败。由于CPU和操作系统的性能，“京”被认为“易用性糟糕”，日本企业对于以“京”为基础的超级计算机的接受程度低于预期。值得一提的的，富士通社长时田隆仁也承认“京”令人遗憾，因为它未能对业务发挥推动作用。日本国内批评称，超算开发费过高，甚至出现联合开发企业较早从项目中撤出的情况。
四、德国
德国是全球超级计算机强国之一。德国早在2018年就拥有超算20台。德国是全球老牌的发达国家，尽管面积在世界来看不怎么大，但影响力却是能够影响全球，众所周知，德国人在全球工业领域颇为造诣，在德国人的城市和一些工业制造品，一些最新工业的设备几乎都是德国人发明的。
莱布尼茨”是位于德国的欧洲第二大超级计算机，其排名是仅次于瑞士的“代恩特峰”，也是德国的第一计算机，其巅峰运算速度是达到了2.6亿亿次/秒，综合性能排名曾经排在第8位。
莱布尼茨超级计算中心是欧洲最著名的超级计算中心之一，主要面向科研和学术机构的专业人员。该超算中心不仅需要管理海量的大数据，而且需要高性能计算来快速处理和分析这些数据，以加速全球各种研究计划的进展。比如莱布尼茨超级计算中心最近完成了全球规模最大的、对地震及由此引发的海啸的模拟，包括苏门答腊-安达曼地震等，这项研究支持实时情景规划，有助于预测余震及其他地震灾害。莱布尼茨（Leibniz）超级计算中心打造的下一代超算系统，该系统包括将近6500个节点，节省能耗超过45%，
超级计算机名称的莱布尼茨生于德国，成名于法国，因与牛顿的微积分“优先权之争”而与英国学术界纠葛……多才多艺的莱布尼茨在数学、哲学、物理学、语言学等领域卓有成就，并倡导成立了欧洲多家科学院。他是历史上少有的通才，被誉为17世纪的亚里士多德。
五、瑞士
瑞士是全球超算前十强。瑞士的代恩特峰（PizDaint）超级计算机在全球最强大的超级计算机中曾经排名第六，在世界最高效的超级计算机中曾经排名第四，瑞士超算也是全球绿色超算500强（Green500）的前10名中仅有的两台千万亿次超级计算机之一。
瑞士超算曾经取得过巨大的成就。比如早在2017年11月的全球超级计算机TOP500排行榜上，来自瑞士的超算Piz Daint 代恩特峰，再次排名第三。很多人有点吃惊，其实Piz Daint也是同期Green500的第一名。
Piz Daint是当时全球排行榜中最为节能的超级计算机，位于瑞士阿尔卑斯山之后。值得一提的是，Piz Daint使用了Cray XC30系统。、坐落于瑞士卢加诺国家超级计算中心(CSCS)，是瑞士以及整个欧洲当下最快的计算机。在Linpack基准下，Piz Daint取得了6.27 Pflop/s的成绩，然而它的能耗总计只有2.33 MW，折合2.7 Gflops/W。
在瑞士卢加诺国家超级计算中心(CSCS)中，目前共有Ela、Piz Daint、Blue Brain 4、Grand Tavé、Kesch + Escha (MeteoSwiss)、Mönch、Monte Leone、Phoenix等近10台超级计算机。
瑞士国家超级计算中心 (CSCS)、慧与 (HPE) 和 NVIDIA 之前宣布，将打造有望成为世界上性能最强的 AI 超级计算机。“Alps”系统计划于 2023 年问世，将取代 CSCS 现有的 Piz Daint 超级计算机，成为通用计算系统，向瑞士和世界其他地方的研究人员群体开放。
英伟达曾经表示，慧与公司将基于新的 HPE Cray EX 超级计算机产品线构建 Alps 系统。该产品线是下一代从头设计的高性能计算 (HPC) 架构，能够高效处理庞大、日益增长的复杂数据。Alps 系统利用 NVIDIA CPU 和 GPU 之间的紧密耦合，在两天内就可以完成全球最大的自然语言处理模型之一 GPT-3的训练，这比目前由MLPerf 公认的全球领先 AI 超级计算机 NVIDIA 2.8 AI exaflops Selene 快 7 倍。
六、意大利
意大利超计算机属于全球前十名。意大利埃尼公司推出了新的HPC5系统，是世界上最强大的工业超级计算机。HPC5超级计算机支持以前的系统(HPC4)，它的计算能力从18增加到52千万亿次/秒，相当于每秒5200亿次数学运算，使埃尼的超级计算生态系统达到70千万亿次/秒的峰值。事实上，HPC5是世界上工业领域最强大的超级计算机基础设施，并使该公司在其数字化进程中达到另一个里程碑。
意大利HPC5超级计算机，峰值每秒运算3.55亿亿次（35450 TFlop/s）
英伟达之前曾经宣布将联合意大利大学研究中心CINECA(世界上最重要的超级计算中心之一)来构建世界上最快的人工智能超级计算机。新“Leonardo”系统基于 Atos 的 BullSequana XH2000 超级计算机节点构建，每个节点具有四个英伟达 Tensor Core GPU 和一个英特尔 CPU，有望提供千亿亿级触发器的 FP16 AI 性能，以支持高级 AI 和 HPC 融合应用程序用例。Leonardo 将使用英伟达 Ampere 架构 GPU 和英伟达 Mellanox HDR InfiniBand 网络，拥有近 14000 个Ampere GPU ，1800 个 HPC 应用和 AI 应用程序，将帮助科学家解决从材料科学到高能物理到气候变化等许多学科的科学挑战。
Leonardo 由 EuroHPC 采购，EuroHPC 是各国 *** 与欧盟之间的合作，旨在在欧洲开发世界一流的超级计算生态系统和百亿亿次超级计算，并由欧洲委员会通过意大利大学和研究部资助。包括超算在内，英伟达将在欧洲建造四台高性能计算机。
值得一提的是，欧洲高性能计算共同计划——已从欧盟成员国中选定8处地点建设“世界级”超级计算机中心。8个超算中心将设在意大利的博洛尼亚、保加利亚的索菲亚、捷克的俄斯特拉发、芬兰的卡亚尼、、卢森堡的比森、葡萄牙的米尼奥、斯洛文尼亚的马里博尔和西班牙的巴塞罗那。按计划，这些地方将共建造8台超级计算机，其中3台将具备每秒15亿亿次浮点运算能力，另5台将具备每秒4000万亿次浮点运算能力。它们将用于个性化医疗、药物和材料设计、生物工程、天气预报及气候变化等领域。
七、西班牙
西班牙是欧洲超级计算机强国之一。西班牙早在2004年，就开始建造全球运算能力第二强的超级电脑，用于治疗疾病、因应旱灾和改善工业设计等领域。当时就将成为仅次于日本NEC地球模拟器(EarthSimulator)的世界第二快超级电脑。
值得一提的是，西班牙制造商西雅特生产的所有新车的空气动力学都是由一台超级计算机设计的。MareNostrum 4是西班牙最强大的超级计算机，也是欧洲第七强大的超级计算机，拥有165,888个处理器。
西雅特每年在英国销售约6万辆新车，该公司利用这台机器设计其汽车的空气动力学造型，使汽车变得更安全、更高效。这台巨型计算机位于被安置在24摄氏度的恒定环境中，是巴塞罗那超级计算机中心（BSC）的一部分。西雅特的工程师使用该系统可以在几个小时内完成分析，否则将花费数月时间。
MareNostrum 4被世界各地的科学家用来模拟一切事物，包括人类心脏如何工作、预测气候变化等等。开发中的MareNostrum 5将使现有计算机的容量提高20倍以上。
八、法国
法国是传统超级计算机强国之一。早在 2008年法国国家科学研究中心曾经通过与美国IBM公司合作，法国国家科学研究中心拥有了处理性能达每秒207万亿次浮点运算的超级计算机，这一超级计算机系统将主要用于对气候问题的研究和预测。同时，这一超级计算机的投入使用也使法国在非军用研究领域的运算能力排名提升到当时的世界第三，仅次于美国和德国。
法国 *** 曾经在2019年新购置一台超级计算机，除用于气候、材料和生物学等领域的研究外，还将用于人工智能研究。值得一提的是，这台超级计算机名为HPC-IA，每秒钟可以进行1.4亿亿次的运算。它由慧与科技公司研发制造，价值2500万欧元，将被安置在法国科学信息发展与资源研究所的数据中心。
法国高等教育、研究与创新部部长弗雷德丽克·维达尔曾经表示，购置这台超级计算机是法国 *** 提出的国家人工智能研究战略的一部分，旨在使法国成为欧洲人工智能研究的领导者。
另外这台超级计算机可以帮助研究人员优化人工智能算法，测试人工智能在某些情况下的应用极限。
九、英国
英国始终是欧洲超级计算机重要的强国。早在2008年，HECToR曾经是英国最大的超级计算机，在全球最快超级计算机TOP500排行榜中曾经位列第17名，为英国科学研究理事会所拥有。当时造价1.13亿英镑的HECToR超级计算机由英国爱丁堡大学开发，英国科学研究理事会管理，每秒能进行100万亿次运算，运算速度是普通计算机的10万倍。
英国曾经拥有天气预测最准的超级计算机，超级计算机在英国诞生，重达11辆双层巴士，能够大幅提高天气预报的准确率。该系统每秒可演算超过16000万亿次，该计算机将带领英国成为全球天气预报方面的佼佼者。
值得一提的是，近年启动的英国最强超级计算机“Cambridge-1”(剑桥一号)，主要用于英国的医疗健康研究，它是NVIDIA为英国贡献的第一台专用于先进科研的超算。剑桥一号基于NVIDIA DGX SuperPOD超算系统方案，包含80套DGX A100计算系统，每个节点内有八块Ampere架构顶级大核心A100计算卡、两颗AMD霄龙7742 64核心处理器，总共640块计算卡(4423680个核心)、160颗处理器(10240个核心)。
十、瑞典
瑞典国家超级计算机中心2021年曾经推出超级计算机Berzelius，是一种基于Nvidia DGX SuperPOD架构的超级计算机，能够提供300 petaflops的AI性能。由Atos建造的新系统以瑞典化学家Jacob Berzelius的名字命名。
据Top500排行榜（6月）测算，Berzelius有望成为瑞典最快的超级计算机，比之前两个瑞典顶级系统的性能提高一倍以上。
值得一提的是，Wallenberg基金会为瑞典在AI等领域的重大研究计划提供支持，为建立世界一流的计算机基础设施做出贡献，推动瑞典在数学和生命科学领域领先全球。随着Berzelius的成功问世，标志着瑞典成功跻身具备独立研发制造AI超级计算机能力的国家行列。
瑞典拥有4家超级计算中心。建于1991年的NSC超算中心(National Supercomputer Center)是瑞典最早的超算中心。值得一提的是，北欧最强大的计算机Tetralith已在瑞典的林雪平大学的超算中心落地，它将取代前任Triolith，计算有望超过4千万亿次的处理速度。Tetralith将成为国家级别的资源，瑞典的研究人员都可以通过SNIC（瑞典国家计算机构）申请计算时间。
瑞典林雪平大学的NSC是瑞典6所超算中心之一，Tetralith将成为瑞典最强大的大学计算机，处理速度将近比处于第二位的KTH的超算中心快两倍。
