本文系弗若斯特沙利文（Frost & Sullivan，簡稱：沙利文）《超算服務(wù)行業(yè)系列研究》首篇分析，旨在在中國數(shù)字產(chǎn)業(yè)保持高度創(chuàng)新且不斷突破的背景下，為讀者帶來最新的行業(yè)洞察和分享最創(chuàng)新的行業(yè)實踐?！俺阆盗小毖芯繉奈覈咝阅苡嬎憬嵌龋ㄟ^對市場現(xiàn)狀、市場驅(qū)動、典型案例、創(chuàng)新實踐等一系列研究，對中國超算服務(wù)、超算云服務(wù)進(jìn)行細(xì)致分析。
超級計算的概念
超級計算，也稱之為高性能計算，指的是利用并行工作的多臺計算機系統(tǒng)的集中式計算資源，處理極端復(fù)雜的或數(shù)據(jù)密集型的問題。超級計算具備極強的計算能力，其浮點運算速度能夠達(dá)到千萬億次每秒。超級計算作為國家科技發(fā)展的重要制高點之一，不僅是國家的科技實力的體現(xiàn)，更是國家高精尖技術(shù)發(fā)展的重要保障。
超算的分類
超算行業(yè)通過提供高性能的計算能力，賦能數(shù)據(jù)回收與分析、數(shù)據(jù)模擬等場景，從服務(wù)場景看，傳統(tǒng)超算行業(yè)圍繞氣象海洋、地質(zhì)勘探、工業(yè)仿真、物理模擬等為主，服務(wù)對象多以高等院校、科技研究所、政府主導(dǎo)的科技工程項目為主，隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，越來越多的企業(yè)對數(shù)據(jù)分析的需求越來越強。面對海量的數(shù)據(jù)分析和處理需求，一般性的計算機、服務(wù)器已經(jīng)無法勝任技術(shù)要求，例如多媒體渲染、分子模型模擬、碰撞實驗等。未來，在科技的賦能下，越來越多的企業(yè)服務(wù)場景將面臨顯著的高性能計算服務(wù)需求。超算服務(wù)將在社會經(jīng)濟(jì)、科技發(fā)展的帶動下，進(jìn)入新的蓬勃發(fā)展期。
由此，從算力資源的需求看，沙利文將高性能計算分為尖端超算、通用超算、業(yè)務(wù)超算和人工智能超算四大類。
中國超算的發(fā)展歷程：我國不斷取得技術(shù)創(chuàng)新，超算發(fā)展處于全球領(lǐng)先水平
- 2005年之前：探索期
隨著“十五”期間國家對高性能計算方向的支持，聯(lián)想集團(tuán)成功研制了深騰6800超級計算機系統(tǒng)，系統(tǒng)運算峰值達(dá)到了每秒5.3萬億次浮點運算，處于當(dāng)時的世界領(lǐng)先水平，大大超過了863的專項規(guī)定指標(biāo)。
- 2006年至2015年：成長期
在成長期階段，我國不斷加速對高性能計算機的研制工作，2010年5月，曙光6000成功研制，2010年8月，“天河一號”系統(tǒng)成功研制，在當(dāng)時全球超級計算機排名中，“天河一號”以峰值速度每秒4700萬億次、持續(xù)速度每秒2566萬億次，奪得世界第一。此后，“神威藍(lán)光”、“天河二號”等更多超級計算機不斷被推出，截至2015年年底，國家高性能計算環(huán)境包含15個節(jié)點單位資源，聚合計算資源超過12PFLops，聚合存儲資源34PB。
- 2016年至2021年：成熟期
在此期間，我國持續(xù)加快建設(shè)超算中心的建設(shè)，依托自主可控的技術(shù)，不斷建設(shè)我國的超級計算的生態(tài)，面向用戶提供更加便捷的高性能計算服務(wù)。此外中國還鼓勵各類超算中心加入到環(huán)境共享計算資源中來，促進(jìn)產(chǎn)生更多的行業(yè)應(yīng)用成果。截至2021年年底，中國目前已經(jīng)有9座國家級超算中心,分別位于天津、長沙、濟(jì)南、廣州、無錫、深圳、鄭州、成都和昆山。
- 2021年之后：創(chuàng)新期
未來在創(chuàng)新期階段，隨著5G通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，人工智能、云技術(shù)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等新興技術(shù)的快速應(yīng)用，超算服務(wù)將融合更多新興技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)服務(wù)的進(jìn)一步升級。在與新興技術(shù)融合下的超算服務(wù)，能夠以更加靈活、強大、便捷的模式服務(wù)更多潛在客戶，尤其是企業(yè)客戶及高?？蛻舻取?/p>
“東數(shù)西算”將加快我國超算行業(yè)的發(fā)展，促使超算行業(yè)展現(xiàn)出更大的社會價值
01“東數(shù)西算”的背景
2022年2月17日，國家發(fā)改委、中央網(wǎng)信辦、工業(yè)和信息化部、國家能源局聯(lián)合印發(fā)通知，同意在京津冀、長三角、粵港澳大灣區(qū)、成渝、內(nèi)蒙古、貴州、甘肅、寧夏等8地啟動建設(shè)國家算力樞紐節(jié)點，并規(guī)劃了10個國家數(shù)據(jù)中心集群。全國一體化大數(shù)據(jù)中心體系完成總體布局設(shè)計標(biāo)志著“東數(shù)西算”工程正式啟動。從具體建設(shè)目標(biāo)看，“東數(shù)西算” 工程通過構(gòu)建數(shù)據(jù)中心、云服務(wù)等一體化的新型高性能算力網(wǎng)絡(luò)體系，將東部算力需求有序引導(dǎo)到西部，優(yōu)化數(shù)據(jù)中心建設(shè)布局，促進(jìn)東西部協(xié)同聯(lián)動。
02 “東數(shù)西算”的目標(biāo)與社會使命
從產(chǎn)業(yè)層面上看，“東數(shù)西算”有四大社會使命，分別是中國整體算力規(guī)模的提升、綠色產(chǎn)業(yè)的推進(jìn)、拉動產(chǎn)業(yè)投資與發(fā)展和協(xié)調(diào)區(qū)域共同發(fā)展，實現(xiàn)共同富裕。
整體算力的提升
通過全國一體化的數(shù)據(jù)中心布局建設(shè)，擴大算力設(shè)施規(guī)模，提高算力使用效率，實現(xiàn)全國算力規(guī)?；s化發(fā)展。
綠色產(chǎn)業(yè)的推進(jìn)
國家通過加大數(shù)據(jù)中心在西部布局，將大幅提升綠色能源使用比例，就近消納西部綠色能源，同時通過技術(shù)創(chuàng)新、以大換小、低碳發(fā)展等措施，持續(xù)優(yōu)化數(shù)據(jù)中心能源使用效率。
協(xié)調(diào)區(qū)域發(fā)展，促進(jìn)共同富裕
“東數(shù)西算”通過算力設(shè)施由東向西布局，將帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)有效轉(zhuǎn)移，促進(jìn)東西部數(shù)據(jù)流通、價值傳遞，延展東部發(fā)展空間，推進(jìn)西部大開發(fā)形成新格局，加快實現(xiàn)我國共同富裕的社會目標(biāo)。
03 “東數(shù)西算”對超算行業(yè)的促進(jìn)
“東數(shù)西算”對超算行業(yè)有著直接的積極推動作用，主要體現(xiàn)在進(jìn)一步驅(qū)動第三方專業(yè)的發(fā)展和對獨立超算服務(wù)商的業(yè)務(wù)支持。
當(dāng)前我國的高等院校、研究所每年都會以自建的模式進(jìn)行內(nèi)部的微型、小型高性能計算環(huán)境的建設(shè)，在此背景下，自建模式往往存在著以下痛點：一是自建模式的經(jīng)濟(jì)性顯著低于采用第三方專業(yè)服務(wù)，自建需要大量的前期投入和后期維護(hù)，進(jìn)一步造成經(jīng)費的不必要使用；二是自建類型的超算中心往往造成社會資源的浪費，相比“東數(shù)西算”模式下全國一體化的布局與資源調(diào)配模式，自建類型的高性能計算實驗室往往不具備集約式管理下的高運行效率，由此造成不必要的社會資源浪費。未來在“東數(shù)西算”的不斷建設(shè)下，未來我國自建模式的超算服務(wù)投入比例將不斷減小，依靠專業(yè)的第三方超算服務(wù)比例將顯著增加。
未來，隨著此類用戶對第三方專業(yè)超算服務(wù)的認(rèn)可度增加，以計算性能優(yōu)先的獨立超算服務(wù)商將成為其優(yōu)先考慮選擇對象，獨立超算服務(wù)商將迎來新的發(fā)展契機。
超算的應(yīng)用場景：大數(shù)據(jù)時代下，超算需求已經(jīng)滲透進(jìn)各行各業(yè)
- 地質(zhì)勘探
當(dāng)前能源地質(zhì)勘探技術(shù)已經(jīng)步入大數(shù)據(jù)時代，為了確?？碧浇Y(jié)果的準(zhǔn)確與效率，地質(zhì)勘探服務(wù)商通常需要分析、模擬出地下數(shù)千米的物理構(gòu)造和地質(zhì)組成。此外，隨著“寬方位、寬頻帶、高密度”勘探技術(shù)的普及，每次地質(zhì)勘探的測量都會產(chǎn)生TB級，乃至PB級的數(shù)據(jù)量，面對如此海量的測量數(shù)據(jù)，還需要進(jìn)行進(jìn)一步的計算與模擬，提供可解讀的地質(zhì)勘探結(jié)果。高性能計算成為提高地質(zhì)勘探結(jié)果的核心途徑解決方案之一。
- 氣象、海洋監(jiān)測與預(yù)警
高性能計算能夠根據(jù)流體的物理特性，結(jié)合科學(xué)的流體建模公式，包括熱力學(xué)、流體力學(xué)、大氣化學(xué)等維度，在高性能計算中求解出未來一段時間內(nèi)的流體運動狀態(tài)，從而達(dá)到監(jiān)測、預(yù)警的效果。另一方面，在獲取流體物流特性時，往往需要雷達(dá)觀測、衛(wèi)星觀測等多維信息獲取渠道，從而帶來海量的信息調(diào)用、信息分析與處理、信息建模的計算需求。此場景下，只有通過超級計算，才能夠保證數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性和時效性。
- 生物信息與生命科學(xué)
以分子模型分析為例，生物信息建模往往涉及到海量的分子匹配測試和與之對應(yīng)的模型計算，與此類似的還有基因測序、藥物篩選等。面對海量的計算需求和數(shù)據(jù)存儲、調(diào)用需求，只有高性能計算服務(wù)才能滿足此類需求。
- 富媒體渲染
從技術(shù)角度看，富媒體渲染涉及到海量的數(shù)據(jù)獲取、分析與處理，此外典型的富媒體渲染場景都具有一定的時效性，運用高性能計算服務(wù)才能保證相關(guān)的商業(yè)任務(wù)能夠準(zhǔn)時交付，從而實現(xiàn)最大的商業(yè)價值。與生物信息類似，富媒體渲染也更加歡迎具備高彈性的超算服務(wù)，原因在于各次渲染的計算資源調(diào)用存在一定差異，企業(yè)往往需要平衡商業(yè)回報和制作成本的關(guān)系。
- 工業(yè)仿真
以汽車機械為例，仿真體系能夠輔助企業(yè)在車型研發(fā)時的空氣動力學(xué)分析與預(yù)測、車體結(jié)構(gòu)的剛強度分析、碰撞分析等，仿真結(jié)果能夠幫助工程師進(jìn)行各個流程、子項目的優(yōu)化和設(shè)計升級。在仿真體系中，往往需要輸入大量的設(shè)計參數(shù)，配合智能算法，實現(xiàn)仿真結(jié)果的精準(zhǔn)展示。與汽車機械類似的還有船舶設(shè)計、電子芯片仿真等多個制造業(yè)場景。
超算服務(wù)的玩家分析：超算中心是主角，獨立超算云服務(wù)商和互聯(lián)網(wǎng)云超算服務(wù)商積極進(jìn)場
超算服務(wù)的“主角”仍然是以國家牽頭的超算中心為主，追求極致的計算性能，為科研院所、高等院校等提供充足的算力保障，另一方面，隨著超算服務(wù)在互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、工業(yè)賦能領(lǐng)域的應(yīng)用，獨立超算云服務(wù)商和互聯(lián)網(wǎng)云超算服務(wù)商已經(jīng)積極進(jìn)場，通過平衡機器算力與商業(yè)實際需求的配比，實現(xiàn)超算服務(wù)的商業(yè)化實踐。
相比傳統(tǒng)超算中心，獨立超算云服務(wù)商和互聯(lián)網(wǎng)云超算服務(wù)商擁有更強的服務(wù)定制化能力和產(chǎn)品設(shè)計概念，迎合了廣大的行業(yè)超算的商業(yè)需求，積極推動了社會力量對超算行業(yè)的探索與與模式創(chuàng)新。
超算服務(wù)的客戶分析：相比研究所、高等院校，企業(yè)需求市場空間巨大，超算云訂閱服務(wù)模式趨勢明顯
研究所：以尖端超算為主，需求場景以創(chuàng)新研發(fā)、驗證為主，年超算投入預(yù)算從數(shù)萬元至千萬元不等，但偏好硬件服務(wù)，且定制化需求高。
高等院校：以通用超算為主，需求場景包括理工科建模仿真、理論驗證、課題研究等，頭部院校的計算資源投入經(jīng)費往往超過千萬元，主要以計算設(shè)備采購與升級為主，云模式下的計算資源為輔。
企業(yè)客戶：以業(yè)務(wù)高性能計算為主，需求場景包括業(yè)務(wù)優(yōu)化、研發(fā)優(yōu)化等，企業(yè)對超算服務(wù)的需求與目的非常明確，集中在優(yōu)化業(yè)務(wù)流程、成本，實現(xiàn)商業(yè)成功。企業(yè)通常有內(nèi)部的仿真研究部門或者計算優(yōu)化部門，對超算服務(wù)的需求集中在資源需求為主，整體系統(tǒng)的定制化要求低。
從市場規(guī)?？?，由于收費模式的優(yōu)勢，企業(yè)超算的商業(yè)化需求最大，2021年已經(jīng)達(dá)到了121億元，占比超過50%。
中國超算服務(wù)的未來發(fā)展趨勢
- 政府持續(xù)支持超算行業(yè)的建設(shè)與發(fā)展
雖然中國的超算服務(wù)市場經(jīng)歷了快速增長與發(fā)展，但是當(dāng)前的超算資源仍然不夠滿足下游的超算服務(wù)需求。隨著我國“新基建”部署的持續(xù)推進(jìn)，越來越多的高?？蒲袑嶒炇摇⑵髽I(yè)和研究所將面臨更旺盛的高性能計算服務(wù)的需求。為了滿足于此爆發(fā)式的增長需求，政府將持續(xù)加大超算資源的建設(shè)和生態(tài)系統(tǒng)的聯(lián)通，為計算資源和計算服務(wù)的互聯(lián)互通提供堅實的基礎(chǔ)。
- 超算云滲透率不斷提升，市場規(guī)?？焖僭鲩L
云服務(wù)具備快速部署、靈活調(diào)度和彈性應(yīng)用等顯著優(yōu)勢，越來越多的科研工作者在體會到云服務(wù)的便利性之后，希望盡快從傳統(tǒng)的自建計算系統(tǒng)中解脫出來，實現(xiàn)更加優(yōu)質(zhì)的超算服務(wù)體驗。在超算細(xì)分場景下，云服務(wù)能夠大大避免傳統(tǒng)自建超算中心的資金投入大、采購周期長、維護(hù)難度高、資源更新慢等痛點，超算云的滲透率將從下游客戶數(shù)量和下游客戶業(yè)務(wù)采購量兩維度，實現(xiàn)“雙輪驅(qū)動”，快速增長。
- 容器技術(shù)日趨普及，成為下一代發(fā)展熱點
容器技術(shù)是一種將運行應(yīng)用程序和其依賴的、輕量的、操作系統(tǒng)進(jìn)行虛擬化和獨立劃分的技術(shù)。這保證了容器內(nèi)的進(jìn)程不會影響到容器外的任何進(jìn)程。在過往的行業(yè)實踐中，容器技術(shù)能夠大大提高研發(fā)效率。
- 集群技術(shù)與云服務(wù)技術(shù)的進(jìn)一步融合
計算機集群技術(shù)在計算密集性場景下?lián)碛兄鴱V泛的應(yīng)用，例如大氣海洋、仿真模擬、地質(zhì)勘探等。集群技術(shù)能夠?qū)⒁唤M相互獨立的服務(wù)器，通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和集群軟件系統(tǒng)管理的方式，實現(xiàn)算力的拓展與使用。未來隨著行業(yè)超算服務(wù)的進(jìn)一步滲透，集群技術(shù)與云服務(wù)的緊密融合將形成更加靈活的算力配置，為超算云服務(wù)帶來新的創(chuàng)新點。
- 數(shù)據(jù)安全處理能力持續(xù)加強
隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，數(shù)據(jù)安全成為各行各業(yè)的關(guān)注焦點之一。如何保護(hù)自己的數(shù)字資產(chǎn)和安全信息是所有用戶在選擇超算服務(wù)的核心訴求。高性能計算往往涉及到大量內(nèi)部數(shù)據(jù)的分析與處理，一個數(shù)據(jù)安全管理能力越強的超算服務(wù)公司，越能夠給客戶企業(yè)帶來業(yè)務(wù)信任，從而實現(xiàn)客戶粘性，實現(xiàn)商業(yè)成功。
- 更成熟的行業(yè)定制化服務(wù)
海洋氣象、地質(zhì)勘探、工業(yè)仿真、富媒體渲染等超算服務(wù)場景對超算服務(wù)的要求不盡相同，包括超算資源的調(diào)度、軟件系統(tǒng)的搭配等等。只有對各個典型使用場景有著深刻的理解，才能設(shè)計出符合下游用戶使用習(xí)慣的產(chǎn)品服務(wù)矩陣。
