美国高性能计算计划的演进逻辑管理机制与实施特点.docx

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1、美国高性能计算计划的演进逻辑、管理机制与实施特点前言：美国高性能计算计划在30余年时间中，先后经历了高性能计算与通信计划、网络和信息技术研发计划、战略计算计划的演进历程。分析了其演进逻辑、相互关系及管理机制，总结了计划实施的特点，即政府跨部门协同的全政府特点和政产学研广泛合作的举国特点。针对中国算力建设中存在的问题，美国经验能够提供可借鉴的诸多启示，包括制定算力研发战略规划，全面加强算力技术研发；加强中央统一领导和组织管理，实现跨部门、跨地区协同；确保计算软硬件不同部分均衡发展，对滞后者采取长期系统的强化措施；建立广泛的合作伙伴关系，促进计算生态体系不断完善。数字经济时代，算力成为新的生产力，

2、对推动技术进步、经济社会高质量发展发挥着重要作用。近几年，中国各级政府将算力作为新的数字基础设施，加快算力建设部署。2023年，“十四五”规划和2035年远景目标纲要要求“加快构建全国一体化大数据中心体系，强化算力统筹智能调度，建设若干国家枢纽节点和大数据中心集群，建设E级和IOE级超级计算中心”。国务院发布的“十四五”数字经济发展规划要求推进云网协同和算网融合发展，“布局全国一体化算力网络国家枢纽节点”“打造智能算力、通用算法和开发平台一体化的新型智能基础设施”。2023年，“东数西算”工程全面启动，在全国规划了8个国家算力枢纽节点、10个国家数据中心集群。2023年1月，成都市发布了全国首

3、个算力专项政策一一成都市围绕超算智算加快算力产业发展的政策措施，全面落实国家“东数西算”战略。可以说，从中央到地方各级政府均在加快推进算力建设。从算力产业发展看，中国还存在明显不足。技术上，软硬融合底层研发工具欠缺，基础软件、工具软件等难点仍未打通；标准上，存在缺失，不同芯片、操作系统、固件、整机系统兼容性问题突出；资源上，数据共享不够、接口不统一、投入不均衡，软件投入明显不足；应用上，很多行业缺少对计算技术的理解，企业应用规模不到美国的V10,场景落地有待拓展；人才上，专业性、复合型人才短缺，支撑产业发展乏力；生态上，芯片架构多元化，开发工具匮乏，系统软件、应用开发平台配套少，生态整体薄弱离

4、散。从国外看，美国很早就重视算力发展，制定了大量相关政策，不断改进、优化算力建设。本文以高性能计算计划为例，分析其政策演进情况，以期为中国提供经验借鉴。从美国的政策文件看，“超级计算”“高性能计算”“高端计算”3个概念经常混用。一、美国高性能计算计划的演进逻辑高性能计算代表了一种战略性的、改变游戏规则的技术，与理论和实验一起构成了科学研究的第三支柱和科学发现的新途径，成为应对数据快速增长和摩尔定律接近极限的重要方法，对提高经济竞争力、科学领导地位和国家安全至关重要。高性能计算计划的演进作为美国政府对计算和通信技术前沿的一项战略投资，高性能计算计划在30余年的时间里，随着应用的增加、技术的发展以

5、及国外的竞争而不断演进。1)高性能计算和通信计划。1991年，科技政策办公室在1992财年预算补充报告大挑战：高性能计算和通信中提出了研发计划一一高性能计算和通信计划(HighPerformanceComputingandCommunicationsprogram,HPCC),指出HPCC能够解决科学和工程面临的重大挑战，应扩大美国HPCC技术的领先地位。该计划的战略优先事项强调要支持研发，加强政府、产业和大学间合作，支持相关基础研究、网络和计算基础设施发展，促进人力资源发展。计划共包括4个组成部分：开发高性能计算系统、高级软件技术和算法、国家研究与教育网络、基础研究与人力资源。1991年12

6、月，美国国会通过了高性能计算法案，授权实施该计划。法案认为，在计算科学领域的领先地位对国家繁荣昌盛、经济稳定和科学进步至关重要。2)网络和信息技术研发计划。随着互联网和信息技术的发展，以及1998年下一代互联网研究法案和2007年竞争法案的修订，高性能计算计划的内容逐步扩大。2009年的网络与信息技术研发法案中将该计划更名为网络和信息技术研发计划(NetWorkingandInformationTechno1ogyResearchandDeve1opment,NITRD)o根据2012年发布的NITRD五年期战略计划，该计划的目标是利用先进的信息技术解决国家的优先事项，包括国家安全、国防、经济

7、发展、科学发现、能源和环境、健康、个人隐私和生活质量。实现这一目标需要3个方面的技术研发基础:扩展人机合作关系,设计和构建安全、可靠、可预测系统的能力，加强教育培训I。显然，NITRD计划目标更为广泛，涉及的技术领域更多，高性能计算虽然仍是其中一个重要领域，但很难说是计划关注的核心技术。3)战略计算计划。由于NITRD计划的调整，在启动战略计算计划之前，几乎没有协调的联邦活动统筹国家安全和产业、科学发展所需的高性能计算问题。但各界对高性能计算的需求有增无减。同时，在2010年之后很多国家都加大了高性能计算研发投入。中国天河二号一度成为世界最快的超级计算机；欧盟委员会发布报告高性能计算：欧洲在全

8、球竞争中的地位(HighPerformanceComputing：Europe,sP1aceintheG1oba1Race),提出“实现高性能计算领导地位”的目标；韩国通过了国家超级计算法(Nationa1SupercomputingAct),旨在峰J2017年进入世界超级计算前七强之列；此外，日本、俄罗斯、印度等国也做出了相关部署。对此，2015年奥巴马总统签署13702号总统令，要求启动国家战略计算计划(Nationa1StrategicComputingInitiative：StrategicP1an),2016年，该计划正式发布，旨在维护美国在高性能计算领域的领导地位。2019年的战略

9、计算计划更新：引领未来的计算进一步聚焦于未来的先进计算生态系统，2023年的引领未来的先进计算生态系统：战略计划强调了未来先进计算生态系统的建设要求。4)NITRD计划与战略计算计划的关系。根据13702号总统令，战略计算计划执行委员会需要与国家科技委及其下属机构合作，以确保整个联邦政府的高性能计算工作与该计划保持一致。从N1TRD计划开展的高性能计算研究情况看，同样侧重应对算力进步所面临的紧迫挑战，例如研究跨越整个硬件/软件堆栈的可扩展系统、极端异质性软件堆栈、人工智能和神经形态计算工具或算法、集成传统架构和非冯诺依曼架构等，显然这些工作与战略计算计划高度一致。不同的是N1TRD计划偏重软件

10、、网络和设备，直到2023财年才将微电子学纳入协调内容。然而，战略计算计划自设立之初就强调运用全面的技术和方法，推动芯片等硬件、系统软件、开发工具、网络、数据、人才等构成的生态系统整体发展，将研究优势高效地转化为应用技术和运营优势。可以说，战略计算计划对高性能计算发展作出了系统部署，NITRD则利用自身优势从事其中部分研究，二者协同促进相关技术发展。二、高性能计算计划不断演进的驱动因素30余年时间里，高性能计算计划的内容不断演进。除了国外竞争带来的压力外，更多源于纠正自身发展失衡及外在需求、技术的推动。D自身不足：计划早期偏重于硬件。虽然美国软件实力雄厚，但长期以来高性能软件发展仍落后于硬件。

11、为此，咨询机构不断提出发展高性能计算软件性能的建议,而HPCC相关计划也不断改进优化。1999年，总统创新和技术咨询委员会(PresidentsInnovationandTechno1ogyAdvisoryCommittee,PITAC)强调，过去40年里，计算硬件的性能至少提高了8个数量级，而软件开发没有跟上硬件发展速度，成为影响计算性能的关键。2005年，P1TAC再次强调软件不足以跟上不断发展的硬件和应用需求，建议政府建立国家软件可持续发展中心，负责强化、记录、支持和维护重要的计算软件。2007年，总统科技顾问委员会(PreSideneSCoUnCi1ofAdvisorsonScienc

12、eandTechno1ogy,PCAST)建议制定战略计划，实现对高端计算架构、硬件、软件、数据、应用程序等的平衡投资。相关建议被战略计算计划采纳，强调建设软件生态，开发和采用新架构。2023年N1TRD计划的高端计算工作组与软件生产力、可持续性和质量协调小组联合召开了极端异构时代的软件研讨会，共同探讨未来5-10年高性能计算极端异构软件的开发问题。2)客观需求：用户需求不断增加。高性能计算支持建模和仿真算法，通过缩短设计周期，降低开发成本，能够提高效率，减少浪费，在科学和国防、核能等国家安全以及制造业等民用领域都有广泛的应用。2005年，美国国会众议院成立了国会建模与仿真小组，推动众议院于2

13、007年通过第487号决议，明确建模和仿真是国家核心技术。2008年再工业化兴起后，建模、仿真成为维系美国制造业竞争优势的关键。对于美国领先的制造商来说，超越竞争(OUt-COmPete)就是超越计算(OUt-compute)。相关技术及数字制造、智能制造也成为先进制造业战略的重要内容，其中智能制造的实现取决于数字李生技术，该技术贯穿于产品设计、制造、运营、维护的整个流程和全生命周期，是对李生对象动态的模拟仿真，需要实时交换大量的异质数据。因此，战略计算计划始终强调要建立建模、仿真和数据分析的统一平台，强调超大规模建模仿真、数据密集型计算和实时决策等因素对计算技术和相关计划的驱动作用。3)技术

14、推动：前沿技术不断发展。美国联邦政府对前沿技术的研发支持确保了美国信息通信业的领先地位。美国国家研究委员会指出，至少有8个IT部门源于联邦政府的科学资助,其中有7个已成为价值超过IOO亿美元的全球产业。在计算领域同样如此，桑迪亚国家实验室的专家认为，在每个主要的新计算领域产生前，政府均已经支持了57年的前瞻性研发，且至少可以往回追溯5个周期。1999年，PITAC就建议政府针对摩尔定律的终结，资助光学、量子、生物和神经形态计算研究。此后，云计算、大数据、人工智能/机器学习、边缘计算等新技术的不断发展，及摩尔定律放缓等对芯片技术提出的挑战均推动着计算政策不断调整。适应这一变化，战略计算计划提出发

15、展后摩尔时代的未来计算生态，开拓数字和非数字计算的新领域等要求。三、美国高性能计算计划的管理机制高性能计算计划是一个跨部门计划，为确保计划实施效果，美国政府设立了一系列制度，形成了较为完善的管理机制，并被后续计划延续。高性能计算计划的管理机制HPCC计划包括由科技办公室设立的管理机构、协调办公室和咨询机构等管理部门。1)管理机构和职责。1991年3月，白宫科技政策办公室通过下设的联邦科学、工程和技术协调委员会物理、数学和工程分委员会设立了高性能计算、通信和信息技术小组委员会(HighPerformanceComputing,CommunicationsandInformationTechno1

16、ogysubcommittee,HPCCIT)对HPCC计划进行管理。1993年11月，总统行政令要求科技政策办公室成立国家科技委员会,充当协调联邦机构科研项目的虚拟机构，由总统担任主席，成员包括副总统和白宫各部官员。此后，HPCQT就置于科技委员会的统一管理之下。HPCQT小组委员会由最初的8个联邦成员各派1名代表组成，每月举行1次会议，交流信息、确立机构间项目及审查各机构计划和预算。能源部代表担任HPCCIT主席，国防高级研究计划局（DARPA）国家科学基金会、国家航空航天局的代表担任联合主席。1992年，HPCQT设立了网络、研究、教育和应用4个机构间工作组（表1）,分别组织相关领域研究规划。随着计划内容的变化，工作组也会相应调整。例如1993年2月，国家信息基础设施计划提出后，HPCC计划新增了一个任务领域：信息基础设施技术和应用。之后，HPCQT小组也相应进行调整。表1HPCCIT小组委员会的成员构