先進計算對于一個國家科學研究、經濟建設、國家安全等方面發展至關重要。目前，摩爾定律遭遇瓶頸，登納德定律終結，傳統計算向非馮·諾依曼結構發展，一個新計算時代正在來臨。美國政府高度重視先進計算發展，近年來更是将先進計算置于戰略高度，為美國在基礎科學研究和前沿應用突破奠定關鍵基礎，相關經驗對大陸發展先進計算具有重要借鑒意義。本文主要對超級計算機相關政策進行梳理。
一、超級計算機在美國的戰略定位
美國計算機政策發展經曆了從超級計算機到多種計算形式并行發展的過程。但時至今日，美國一直将超級計算機作為關鍵發展事項，促進其快速發展與建設，超級計算機也作為關鍵基礎設施支撐了美國前沿技術和産業發展。
超級計算機是美國人工智能發展處于世界前列的重要保障之一。2016年，谷歌（Google）旗下DeepMind公司研發的AlphaGo戰勝圍棋世界冠軍，掀起了第三次人工智能發展的浪潮，超級計算機為人工智能技術實作突破提供了關鍵支撐。美國總統特朗普在2019年簽署的《保持美國在人工智能領域的上司地位》行政指令中明确要求，國防部、能源部等部門發展高性能計算資源，以保持美國人工智能上司地位。
超級計算機是美國在國防軍事、生物醫藥、航空航天等領域占據全球技術領先地位的基礎支撐。美國國防部（DOD）高性能計算中心主任John Wes早在2014年便提出将超級計算作為國防部未來技術發展的關鍵基礎。美國國立衛生研究院 （NIH）通過超級計算機在生物工程方面不斷突破，超算已在癌症早期篩查、人群中新冠傳播模拟等研究中應用。通過超級計算機，DeepMind旗下公司開發的AlphaFold 可在短時間内測試大量不同的算法，準确預測了超過35萬種蛋白質結構。美國宇航局（NASA）表示在推進阿爾忒彌斯計劃時一系列複雜問題的處理必須依靠高性能計算機，并且NASA基于已有技術正在開發新的太空飛行計算機，與目前現有的太空飛行計算機相比，其計算能力至少是原來100倍。2020年3月，美國國家科學基金會釋出《國家網絡基礎設施生态系統的願景》，将超級計算機規劃為美國21世紀網絡生态系統關鍵基礎設施。
圖1：國家網絡基礎設施生态系統的願景
超級計算機将在量子計算機的發展中發揮巨大作用。目前，發展量子計算機的主要任務之一，就是如何充分發揮NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum）的量子硬體能力，真正地解決一些有意義的問題，進而展現具有現實價值的量子優勢。
圖2：橋接技術搭建跨系統架構
英偉達（NVIDIA）認為可以通過橋接技術搭建跨系統架構的動态工作來實作量子優勢。NVIDIA基于經典超級計算架構搭建的QODA将是該公司未來量子計算的關鍵路線，可以在一個系統中內建和程式設計量子處理單元 （QPU）、GPU 和 CPU。借助 QODA，開發者就能建構完整的量子應用程式，并在超級計算機上進行模拟。
圖3：QODA平台系統架構
美國始終處于全球超級計算機發展的領先行列。據2022年5月超級計算機Top500榜單顯示，美國在世界前十的超級計算機排名中獨占五席，分别是Frontier（排名第一）、Summit（排名第四）、Sierra（排名第五）、Perlmutter（排名第七）、Perlmutter（排名第八）。排名第一的Frontier由美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）研發。該系統基于最新的 HPE Cray EX235a 架構，配備 AMD EPYC 64C 2GHz 處理器，占地372平方米，由74個HPE Cray EX機櫃組成。并且Frontier能耗比也居全球超級計算機環保程度之首，單個機櫃單元的能耗效率是每瓦運算62.68 gigaflops 。
二、主要政策及管理模式
美國通過長期政策扶持與資源投入，目前已形成政策、管理、産業一體化發展的超級計算機生态體系。
（一）政策脈絡分析
- 先進計算戰略
1991年，美國率先推出超級計算機法案（以下簡稱“超算法案”），這是政府出台的首部關于計算機與網際網路建設的綜合性法案，闡明了計算機科學與技術對國家安全、經濟繁榮和科學進步的重要意義。根據超算法案規定，美國在1992年發起了高性能計算和通信（HPCC）計劃，也就是NITRD計劃的前身。在超算法案及HPCC計劃帶動下，能源部、國防部等多個政府部門開始推動超級計算機建設與發展。
美國政府根據計算技術不斷演變，提出了先進計算戰略。2015年，美國總統奧巴馬簽署總統令，啟動了“國家戰略計算計劃”（NSCI），其中要求美國在2025年之前研制出E級超級計算機。NSCI由美國能源部，美國國防部和美國國家科學基金會等部門牽頭執行。
2.E級計算行動計劃
2016年，美國能源部（DOE）推出“美國E級計算行動計劃”（ECI），加速超級計算機的研究、開發和部署。該計劃目标是在本世紀20年代初至中期，為DOE實驗室提供百億億次級計算能力（即E級高性能計算），提高美國經濟競争力，保障國家安全。該計劃由美國能源部科學辦公室和國家核安全管理局具體執行，涉及美國能源研究科學計算中心旗下勞倫斯·伯克利國家實驗室（LBL），橡樹嶺國家實驗室（ORNL）、阿貢國家實驗室(ANL)，和國家核安全管理局旗下的三個實驗室：桑迪亞國家實驗室（SNL）、洛斯阿拉莫斯國家實驗室（LANL）、勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）等多個國家實驗室。
ECI計劃主要由三個部分組成：
（1）項目管理：由美國能源部科學辦公室、美國能源部國家核安全管理局等部門負責展開項目遴選及投資。
（2）系統采購和落實：主要分為ALCF-3，OLCF-5，ASC ATS-4等部分分别進行。
（3）百億億次級計算項目（ECP項目）：專注于研究、開發和部署E級超算項目，促進內建軟體堆棧和百億億次級硬體技術進步。
為落實ECP計劃，美國政府專門組建ECP項目機構，由先進科學計算研究辦公室（ASCR）和國家核安全管理局進階仿真和計算（ASC）負責。ECP計劃指定了6個核心實驗室：ANL、LBL、LLNL、LANL、ORNL、SNL，該項目的上司團隊也由核心實驗室負責人擔任。ECP項目總共涉及研究人員超過1000名。
此外，ECP建立了一個聯合設計中心（ExaLearn），将重點放在機器學習等技術上，并針對科學及工程應用項目開發E級超算軟體。此外，ExaLearn在項目實施過程中向美國超算供應商回報最新的技術進展，并将ExaLearn成熟的産品率先部署到超級計算機中。
（二）管理體系分析
美國政府在超級計算方面形成了政府主導的管理模式，一方面有力推進政策落地，另一方面保持政策延續。白宮層面由白宮科技政策辦公室負責政策協調，具體項目由能源部、國防部及美國國家科學基金會等部門進行落實。
首先，白宮層面由白宮科技政策辦公室（OSTP）負責協調。2020年美國國會通過了《國家人工智能倡議法案》将超級計算作為關鍵算力納入美國人工智能戰略進行統一謀劃，OSTP通過組織政府部門、大學、企業等利益相關方成立了國家人工智能研究資源（NAIRR）工作組，該工作組工作内容包括為跨科學領域的人工智能研究提供超級計算機資源和高品質資料。
其次，部門間配合由美國能源部和美國國家科學基金會共同設立的高端計算機構間工作組（HPC IWG）開展相關工作。2020年《國家人工智能倡議法案》要求加強國家實驗室建設，為人工智能提供更多高性能計算基礎設施并建立相應的資料管理。HPC IWG将加強高性能計算系統研發確定美國掌握下一代計算革命關鍵技術。目前HPC IWG已協調14個政府部門參與高性能計算研發。
最後，部門内部也成立了超級計算機管理機構。美國能源部通過設立先進科學計算研究項目（ASCR）和國家核安全管理局進階仿真和計算項目（ASC）對超級計算機項目及任需求進行管理。此外，美國能源部科學辦公室設立INCITE計劃促進超級計算機資源合理使用。科研人員可以通過INCITE計劃通路美國能源部所屬的超級計算機，并且該計劃還提供了系統使用支援，以確定科學家高效地使用超級計算機。
（三）美國建構超級計算生态
通過聯邦政府與産業界互融共建，美國成功建構了超級計算機生态，使美國超級計算機發展形成了良性循環。
首先，政府出資建設超級計算機，産業界深度參與。IBM、Gray、NVIDIA等公司均參與到國家實驗室關于超級計算機的建造與設計。Frontier、Summit均由IBM和能源部橡樹嶺國家實驗室（ORNL）聯合建設；能源部阿貢國家實驗室的基于 GPU 的超級計算機是由 NVIDIA 計算平台運作；能源部洛斯阿拉莫斯國家實驗室和桑迪亞國家實驗室部聯合部署的Trinity是由美國Cray公司主持建造。
其次，政府與産業界、學術界聯合攻關超級計算技術。2021年，美國國家科學技術委員會（NSTC）釋出《開拓未來的先進計算生态系統》明确闡述了産業界與政府合作攻關先進計算技術的重要性：政府與産業界、學術界長期合作是探索、開發和轉化特定的技術的關鍵。政府鼓勵企業研究、開發，并産生的新方法和新技術納入政府項目中。
最後，政府牽頭組建超級計算機創新應用聯盟。2020年，白宮科技政策辦公室和美國能源部共同發起了COVID-19高性能計算聯盟，旨在通過超級計算機進一步加速病毒與生物技術的研究。IBM、谷歌、英偉達、英特爾、亞馬遜、微軟等科技巨頭以及哈佛大學、斯坦福大學、麻省理工等頂尖學術機構積極響應并加入了該聯盟。
三、啟示
目前美國以政府主導模式發展超級計算機取得了顯著成績，對于大陸制定及管理超級計算機政策有一定的借鑒和啟示意義。
一是美政府發展超級計算機的規劃具有前瞻性。美國在2016年制定“國家戰略計算計劃”提出 “加速研制百億億次級計算系統”的目标，運算性能是當時高性能計算系統的50-100倍，高于摩爾定律所預測的性能提升速度。同時，該計劃也提出制定後摩爾定律時代的先進計算發展路徑。
二是美政府對超級計算機的規劃兼顧新興技術發展全局。政府在推動非馮計算架構創新發展的同時，審慎思考超級計算機發展定位，将超級算計算機作為未來網絡基石，深度融合人工智能、量子計算等前沿技術，以更宏觀的視角考慮其戰略價值與後續發展路徑。
三是持續投入巨量資金建設超級計算機。2014年，美國宣布投資3億美元制造兩台超級計算機；2015年，宣布使用英特爾處理器Knights Hill建設3台超級計算機，總投資超過6億美元。2016年ECP計劃中政府投入18億美元用于研制3台E級計算機。
四是建構以應用為核心的技術生态系統。美國積極引導各級政府部門、學術界、産業界參與超級計算機應用開發。一方面政府部門提前參與規劃。美國航天局、聯邦調查局、衛生部、國土安全部等多部門提前參與超級計算機前期規劃，根據各自應用特點提出特殊設計需求，在一定程度上保障了高性能計算機在政府部門的應用前景；另一方面通過項目引導學術研究向實際應用落地。美國推出的ECP計劃提出開發15-20個包括材料科學、實體化學、能源、宇宙太空等領域的百億億次應用程式。
四、結語
近年來，超級計算機等先進計算已成為大國科技競争的焦點，世界各國都紛紛采取行動，加強超級計算機等先進計算技術研發與突破。在非馮計算機快速發展的新時代，美國毫不松懈地加速超級計算機的發展，取得了令人矚目的成績。大陸在超級計算機領域也取得諸多驕人成果，但産學關聯等方面仍需進一步加強。大陸應通過國家科研統籌，結合大陸數字經濟領域多、場景廣、資料豐富的發展優勢，進一步鼓勵學術界、産業界加強超級計算機在基礎科學、前沿領域的創新應用，形成多層次、多場景、多元度的超級計算機應用生态。
參考文獻：
[1]顧蓓蓓,武虹,遲學斌,趙青.國内外高性能計算應用發展概況分析[J].科研資訊化技術與應用,2014,5(04):82-91.
[2]美國國家人工智能計劃[EB/OL]. https://www.ai.gov/
[3]美國網絡和資訊技術研究與開發[EB/OL]. https://www.nitrd.gov/about/
[4]美國先進計算機跨機構工作組[EB/OL]. https://www.nitrd.gov/coordination-areas/high-end-computing/
[5]超級計算機Top500[EB/OL]. https://www.top500.org/
[6]DeepMind的AI預測了大量蛋白質的結構[EB/OL]. https://www.nature.com/articles/d41586-021-02025-4
[7]英偉達混合量子經典計算平台[EB/OL]. https://developer.nvidia.com/qoda
[8]美國能源部科技辦公室[EB/OL].https://www.energy.gov/science/office-science
[9]美國橡樹嶺實驗室[EB/OL]. https://www.olcf.ornl.gov/
[10]國防部高性能計算中心[EB/OL]. https://centers.hpc.mil/
[11]美國國家科學基金會-計算機與資訊科學與工程[EB/OL]. https://www.nsf.gov/dir/index.jsp?org=CISE
[12]胡微微,周環珠,曹堂哲.美國數字戰略的演進與發展[J].中國電子科學研究院學報,2022,17(01):12-18.
[13]2022 hamilton-index advanced industry performance [EB/OL]. https://itif.org/publications/2022/06/08/the-hamilton-index-assessing-national-performance-in-the-competition-for-advanced-industries/
[14]美國總統科技顧問委員會[EB/OL]. https://www.whitehouse.gov/PCAST/
[15]美國百億億次級計算項目[EB/OL].https://www.exascaleproject.org/
作者簡介
白路國務院發展研究中心國際技術經濟研究所研究一室，助理分析員
研究方向：科技戰略、科技安全
聯系方式：[email protected]
編輯丨鄭實
研究所簡介
國際技術經濟研究所（IITE）成立于1985年11月，是隸屬于國務院發展研究中心的非營利性研究機構，主要職能是研究大陸經濟、科技社會發展中的重大政策性、戰略性、前瞻性問題，跟蹤和分析世界科技、經濟發展态勢，為中央和有關部委提供決策咨詢服務。“全球技術地圖”為國際技術經濟研究所官方微信賬号，緻力于向公衆傳遞前沿技術資訊和科技創新洞見。
位址：北京市海澱區小南莊20号樓A座
電話：010-82635522
微信：iite_er