当地时间9月12日，ITIF发布《新领域：在百亿亿次级时代保持美国高性能计算的领导地位》报告。报告指出，随着高性能计算进入百亿次级时代，这将仍然是美国工业竞争力、经济实力和国家安全准备的关键支柱。政策制定者需要维持对高性能计算应用、基础设施和技能培训的投资，以保持美国处于领先地位。

为什么高性能计算很重要？

从概念上讲，高性能计算（High-Performance Computing, HPC）对国家的经济和国家安全非常重要，有几个关键原因，包括 1) 为科学和技术发现开辟了新的途径；2) 代表更强大的计算架构和技术“矛头”，最终使笔记本电脑、平板电脑或智能手机更强大；3) 将成为释放大数据和人工智能/机器学习/深度学习 (AI/ML/DL) 的巨大潜力，是促进创新的重要推动力；4) 直接和间接产生显着的经济效益。

为什么国家在 HPC 方面的领导地位很重要？

首先，超级计算机代表了美国防御能力的重要推动力，尤其是其核防御态势。从国家安全的角度来看，美国需要确保能够使用世界上最好的高性能计算机，这不仅仅是因为它使美国国防规划人员具有竞争优势，而且使美国国防工业系统能够比任何其他国家更快地设计前沿武器系统和国防应用程序。

其次，如果美国企业主要由外国供应商生产，那么美国企业肯定可以随时使用最先进的 HPC 系统用于商业目的，这种想法构成了一个不确定的假设。美国的观念是，如果美国不再开发世界领先的 HPC 系统，这可能会使美国下游的大量 HPC 消费行业面临风险。美国在 COVID-19 大流行的初期阶段对中国供应商的个人防护设备的依赖，对在紧急情况下依赖外国（尤其是中国）供应商的风险提出了一个突出的警告。

第三，HPC 供应商通常与他们的客户建立牢固的关系，并合作设计下一代 HPC 系统。这些客户是能源部或国防部等政府机构，与领先的企业用户一样定义了他们想要HPC 系统，然后共同创建系统的体系结构。因此，当一个国家在 HPC 方面处于领先地位时，就可以与购买机器的最终用户密切合作，从而为最有利于美国国内竞争力的系统创造供需动态。

国际超级计算领导力

鉴于超级计算对各国经济和国家安全的重要性，许多国家和地区都在激烈竞争超级计算的领导地位，无论是生产世界上最快的超级计算机、最多的超级计算机、最大的超级计算能力，还是利用这种计算能力的最有效方法。截至 2015 年 11 月，世界 500 强超级计算机中，美国部署了 199 台，而中国为 109 台；然而，到 2022 年 6 月，中国超级计算机的数量增长至173台。

500 强中的超级计算机数量，按国家/地区划分如图所示：

在考虑衡量各国累积超级计算能力的增长速率时，中国的水平约为美国的 80%。中国在 2017 年的这一指标上已经超过了美国。但美国在 2010 年代后期推出了几台新的超级计算机，再次实现反超。此外，中国仍在努力最大限度地发挥其超级计算机的潜在影响，虽然中国已经可以建造大规模并行、快速的超级计算机，但在开发能够利用这些超级计算机在广泛领域产生新见解和创新软件应用程序方面却落后。

2010-2020 年中国超级计算累计能力占美国总量的比例

HPC的国防与环境导向应用

1.核库存管理 超级计算机在支持美国国家安全方面发挥着至关重要的作用。美国需要保证使用世界上最好的超级计算机的一个原因是，它为美国国防规划者提供了竞争优势，并允许美国国防工业系统比其他任何人都更快地设计尖端武器系统和国防应用。从帮助确保核武库的安全和操作能力到帮助评估、测试和认证新的核武器，HPC 都做出了贡献。简而言之，超级计算机帮助美国能源部的国家核安全局“保持对国家核武器的信心”。

2.天气和气候预报 百万兆时代的超级计算有可能将天气和气候预测带入一个新时代。云在理解天气和气候方面所起的作用非常重要，需要进行准确而复杂的建模。百万兆次系统将允许研究人员在生产函数中以“云解析分辨率”运行气候模型，其中一次模拟数十年或数百年。

3.地震预警 由于复杂的地质因素在地下深处运行，因此有效地预测地震依赖于重建岩石物理和区域地质的计算机模型和多方面的模拟，因此需要大型超级计算机来执行。

政策建议

1.2022 年 CHIPS 和科学法案中授权与 HPC 相关的投资和计划。

2.为美国能源部（DOE）国家核安全局（NNSA） 的高级模拟和计算 (ASC) 计划增加资金，其水平与高级科学计算研究（ASCR）增加的水平相似。

3.确保新创建的区域技术和创新中心连接并投资于超级计算资源以实现其使命。

4.任何以 HPC 为重点的出口管制都应考虑国外的可用性，并尽可能与盟国引入的管制保持一致。

5.让更多的计算机科学家和电气工程专业的学生毕业，并支持美国的 STEM 渠道。

结论

高性能计算代表了美国必不可少的战略性国家能力，美国必须继续站在高性能计算系统开发及应用的前沿。与其他高科技部门一样，从生物技术到半导体，这种领导地位需要持续的管理和投资。

文章来源｜ITIF

编译｜孙伟意

文章链接：

https://itif.org/publications/2022/09/12/high-performance-computing-leadership-in-an-exascale-era/

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