本文系弗若斯特沙利文（Frost & Sullivan，簡(jiǎn)稱(chēng)：沙利文）《超算服務(wù)行業(yè)系列研究》首篇分析，旨在在中國(guó)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(lái)最新的行業(yè)洞察和分享最創(chuàng)新的行業(yè)實(shí)踐?！俺阆盗小毖芯繉奈覈?guó)高性能計(jì)算角度，通過(guò)對(duì)市場(chǎng)現(xiàn)狀、市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)、典型案例、創(chuàng)新實(shí)踐等一系列研究，對(duì)中國(guó)超算服務(wù)、超算云服務(wù)進(jìn)行細(xì)致分析。

超級(jí)計(jì)算的概念

超級(jí)計(jì)算，也稱(chēng)之為高性能計(jì)算，指的是利用并行工作的多臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的集中式計(jì)算資源，處理極端復(fù)雜的或數(shù)據(jù)密集型的問(wèn)題。超級(jí)計(jì)算具備極強(qiáng)的計(jì)算能力，其浮點(diǎn)運(yùn)算速度能夠達(dá)到千萬(wàn)億次每秒。超級(jí)計(jì)算作為國(guó)家科技發(fā)展的重要制高點(diǎn)之一，不僅是國(guó)家的科技實(shí)力的體現(xiàn)，更是國(guó)家高精尖技術(shù)發(fā)展的重要保障。

超算的分類(lèi)

超算行業(yè)通過(guò)提供高性能的計(jì)算能力，賦能數(shù)據(jù)回收與分析、數(shù)據(jù)模擬等場(chǎng)景，從服務(wù)場(chǎng)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(duì)象多以高等院校、科技研究所、政府主導(dǎo)的科技工程項(xiàng)目為主，隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，越來(lái)越多的企業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)分析的需求越來(lái)越強(qiáng)。面對(duì)海量的數(shù)據(jù)分析和處理需求，一般性的計(jì)算機(jī)、服務(wù)器已經(jīng)無(wú)法勝任技術(shù)要求，例如多媒體渲染、分子模型模擬、碰撞實(shí)驗(yàn)等。未來(lái)，在科技的賦能下，越來(lái)越多的企業(yè)服務(wù)場(chǎng)景將面臨顯著的高性能計(jì)算服務(wù)需求。超算服務(wù)將在社會(huì)經(jīng)濟(jì)、科技發(fā)展的帶動(dòng)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(jì)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(lèi)。

中國(guó)超算的發(fā)展歷程：我國(guó)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(guó)家對(duì)高性能計(jì)算方向的支持，聯(lián)想集團(tuán)成功研制了深騰6800超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)算峰值達(dá)到了每秒5.3萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算，處于當(dāng)時(shí)的世界領(lǐng)先水平，大大超過(guò)了863的專(zhuān)項(xiàng)規(guī)定指標(biāo)。

• 2006年至2015年：成長(zhǎng)期

在成長(zhǎng)期階段，我國(guó)不斷加速對(duì)高性能計(jì)算機(jī)的研制工作，2010年5月，曙光6000成功研制，2010年8月，“天河一號(hào)”系統(tǒng)成功研制，在當(dāng)時(shí)全球超級(jí)計(jì)算機(jī)排名中，“天河一號(hào)”以峰值速度每秒4700萬(wàn)億次、持續(xù)速度每秒2566萬(wàn)億次，奪得世界第一。此后，“神威藍(lán)光”、“天河二號(hào)”等更多超級(jí)計(jì)算機(jī)不斷被推出，截至2015年年底，國(guó)家高性能計(jì)算環(huán)境包含15個(gè)節(jié)點(diǎn)單位資源，聚合計(jì)算資源超過(guò)12PFLops，聚合存儲(chǔ)資源34PB。

• 2016年至2021年：成熟期

在此期間，我國(guó)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(guó)的超級(jí)計(jì)算的生態(tài)，面向用戶提供更加便捷的高性能計(jì)算服務(wù)。此外中國(guó)還鼓勵(lì)各類(lèi)超算中心加入到環(huán)境共享計(jì)算資源中來(lái)，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(guó)目前已經(jīng)有9座國(guó)家級(jí)超算中心,分別位于天津、長(zhǎng)沙、濟(jì)南、廣州、無(wú)錫、深圳、鄭州、成都和昆山。

• 2021年之后：創(chuàng)新期

未來(lái)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(shí)現(xiàn)服務(wù)的進(jìn)一步升級(jí)。在與新興技術(shù)融合下的超算服務(wù)，能夠以更加靈活、強(qiáng)大、便捷的模式服務(wù)更多潛在客戶，尤其是企業(yè)客戶及高校客戶等。

“東數(shù)西算”將加快我國(guó)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(huì)價(jià)值

01“東數(shù)西算”的背景

2022年2月17日，國(guó)家發(fā)改委、中央網(wǎng)信辦、工業(yè)和信息化部、國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)通知，同意在京津冀、長(zhǎng)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(dòng)建設(shè)國(guó)家算力樞紐節(jié)點(diǎn)，并規(guī)劃了10個(gè)國(guó)家數(shù)據(jù)中心集群。全國(guó)一體化大數(shù)據(jù)中心體系完成總體布局設(shè)計(jì)標(biāo)志著“東數(shù)西算”工程正式啟動(dòng)。從具體建設(shè)目標(biāo)看，“東數(shù)西算” 工程通過(guò)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(dòng)。

02 “東數(shù)西算”的目標(biāo)與社會(huì)使命

從產(chǎn)業(yè)層面上看，“東數(shù)西算”有四大社會(huì)使命，分別是中國(guó)整體算力規(guī)模的提升、綠色產(chǎn)業(yè)的推進(jìn)、拉動(dòng)產(chǎn)業(yè)投資與發(fā)展和協(xié)調(diào)區(qū)域共同發(fā)展，實(shí)現(xiàn)共同富裕。

整體算力的提升

通過(guò)全國(guó)一體化的數(shù)據(jù)中心布局建設(shè)，擴(kuò)大算力設(shè)施規(guī)模，提高算力使用效率，實(shí)現(xiàn)全國(guó)算力規(guī)模化集約化發(fā)展。

綠色產(chǎn)業(yè)的推進(jìn)

國(guó)家通過(guò)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(shí)通過(guò)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(guò)算力設(shè)施由東向西布局，將帶動(dòng)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(jià)值傳遞，延展東部發(fā)展空間，推進(jìn)西部大開(kāi)發(fā)形成新格局，加快實(shí)現(xiàn)我國(guó)共同富裕的社會(huì)目標(biāo)。

03 “東數(shù)西算”對(duì)超算行業(yè)的促進(jìn)

“東數(shù)西算”對(duì)超算行業(yè)有著直接的積極推動(dòng)作用，主要體現(xiàn)在進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)第三方專(zhuān)業(yè)的發(fā)展和對(duì)獨(dú)立超算服務(wù)商的業(yè)務(wù)支持。

當(dāng)前我國(guó)的高等院校、研究所每年都會(huì)以自建的模式進(jìn)行內(nèi)部的微型、小型高性能計(jì)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(diǎn)：一是自建模式的經(jīng)濟(jì)性顯著低于采用第三方專(zhuān)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(fèi)的不必要使用；二是自建類(lèi)型的超算中心往往造成社會(huì)資源的浪費(fèi)，相比“東數(shù)西算”模式下全國(guó)一體化的布局與資源調(diào)配模式，自建類(lèi)型的高性能計(jì)算實(shí)驗(yàn)室往往不具備集約式管理下的高運(yùn)行效率，由此造成不必要的社會(huì)資源浪費(fèi)。未來(lái)在“東數(shù)西算”的不斷建設(shè)下，未來(lái)我國(guó)自建模式的超算服務(wù)投入比例將不斷減小，依靠專(zhuān)業(yè)的第三方超算服務(wù)比例將顯著增加。

未來(lái)，隨著此類(lèi)用戶對(duì)第三方專(zhuān)業(yè)超算服務(wù)的認(rèn)可度增加，以計(jì)算性能優(yōu)先的獨(dú)立超算服務(wù)商將成為其優(yōu)先考慮選擇對(duì)象，獨(dú)立超算服務(wù)商將迎來(lái)新的發(fā)展契機(jī)。

超算的應(yīng)用場(chǎng)景：大數(shù)據(jù)時(shí)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(shí)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(cè)量都會(huì)產(chǎn)生TB級(jí)，乃至PB級(jí)的數(shù)據(jù)量，面對(duì)如此海量的測(cè)量數(shù)據(jù)，還需要進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算與模擬，提供可解讀的地質(zhì)勘探結(jié)果。高性能計(jì)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(cè)與預(yù)警

高性能計(jì)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(jì)算中求解出未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而達(dá)到監(jiān)測(cè)、預(yù)警的效果。另一方面，在獲取流體物流特性時(shí)，往往需要雷達(dá)觀測(cè)、衛(wèi)星觀測(cè)等多維信息獲取渠道，從而帶來(lái)海量的信息調(diào)用、信息分析與處理、信息建模的計(jì)算需求。此場(chǎng)景下，只有通過(guò)超級(jí)計(jì)算，才能夠保證數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性和時(shí)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(cè)試和與之對(duì)應(yīng)的模型計(jì)算，與此類(lèi)似的還有基因測(cè)序、藥物篩選等。面對(duì)海量的計(jì)算需求和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、調(diào)用需求，只有高性能計(jì)算服務(wù)才能滿足此類(lèi)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(chǎng)景都具有一定的時(shí)效性，運(yùn)用高性能計(jì)算服務(wù)才能保證相關(guān)的商業(yè)任務(wù)能夠準(zhǔn)時(shí)交付，從而實(shí)現(xiàn)最大的商業(yè)價(jià)值。與生物信息類(lèi)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(jì)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(bào)和制作成本的關(guān)系。

• 工業(yè)仿真

以汽車(chē)機(jī)械為例，仿真體系能夠輔助企業(yè)在車(chē)型研發(fā)時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)分析與預(yù)測(cè)、車(chē)體結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)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(gè)流程、子項(xiàng)目的優(yōu)化和設(shè)計(jì)升級(jí)。在仿真體系中，往往需要輸入大量的設(shè)計(jì)參數(shù)，配合智能算法，實(shí)現(xiàn)仿真結(jié)果的精準(zhǔn)展示。與汽車(chē)機(jī)械類(lèi)似的還有船舶設(shè)計(jì)、電子芯片仿真等多個(gè)制造業(yè)場(chǎng)景。

超算服務(wù)的玩家分析：超算中心是主角，獨(dú)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(chǎng)

超算服務(wù)的“主角”仍然是以國(guó)家牽頭的超算中心為主，追求極致的計(jì)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(dú)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(chǎng)，通過(guò)平衡機(jī)器算力與商業(yè)實(shí)際需求的配比，實(shí)現(xiàn)超算服務(wù)的商業(yè)化實(shí)踐。

相比傳統(tǒng)超算中心，獨(dú)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(qiáng)的服務(wù)定制化能力和產(chǎn)品設(shè)計(jì)概念，迎合了廣大的行業(yè)超算的商業(yè)需求，積極推動(dòng)了社會(huì)力量對(duì)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(chǎng)空間巨大，超算云訂閱服務(wù)模式趨勢(shì)明顯

研究所：以尖端超算為主，需求場(chǎng)景以創(chuàng)新研發(fā)、驗(yàn)證為主，年超算投入預(yù)算從數(shù)萬(wàn)元至千萬(wàn)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(chǎng)景包括理工科建模仿真、理論驗(yàn)證、課題研究等，頭部院校的計(jì)算資源投入經(jīng)費(fèi)往往超過(guò)千萬(wàn)元，主要以計(jì)算設(shè)備采購(gòu)與升級(jí)為主，云模式下的計(jì)算資源為輔。

企業(yè)客戶：以業(yè)務(wù)高性能計(jì)算為主，需求場(chǎng)景包括業(yè)務(wù)優(yōu)化、研發(fā)優(yōu)化等，企業(yè)對(duì)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(shí)現(xiàn)商業(yè)成功。企業(yè)通常有內(nèi)部的仿真研究部門(mén)或者計(jì)算優(yōu)化部門(mén)，對(duì)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(chǎng)規(guī)?？?，由于收費(fèi)模式的優(yōu)勢(shì)，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(guò)50%。

中國(guó)超算服務(wù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

• 政府持續(xù)支持超算行業(yè)的建設(shè)與發(fā)展

雖然中國(guó)的超算服務(wù)市場(chǎng)經(jīng)歷了快速增長(zhǎng)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(guó)“新基建”部署的持續(xù)推進(jìn)，越來(lái)越多的高?？蒲袑?shí)驗(yàn)室、企業(yè)和研究所將面臨更旺盛的高性能計(jì)算服務(wù)的需求。為了滿足于此爆發(fā)式的增長(zhǎng)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(jì)算資源和計(jì)算服務(wù)的互聯(lián)互通提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

• 超算云滲透率不斷提升，市場(chǎng)規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)

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(shì)，越來(lái)越多的科研工作者在體會(huì)到云服務(wù)的便利性之后，希望盡快從傳統(tǒng)的自建計(jì)算系統(tǒng)中解脫出來(lái)，實(shí)現(xiàn)更加優(yōu)質(zhì)的超算服務(wù)體驗(yàn)。在超算細(xì)分場(chǎng)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(gòu)周期長(zhǎng)、維護(hù)難度高、資源更新慢等痛點(diǎn)，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(gòu)量?jī)删S度，實(shí)現(xiàn)“雙輪驅(qū)動(dòng)”，快速增長(zhǎng)。

• 容器技術(shù)日趨普及，成為下一代發(fā)展熱點(diǎn)

容器技術(shù)是一種將運(yùn)行應(yīng)用程序和其依賴(lài)的、輕量的、操作系統(tǒng)進(jìn)行虛擬化和獨(dú)立劃分的技術(shù)。這保證了容器內(nèi)的進(jìn)程不會(huì)影響到容器外的任何進(jìn)程。在過(guò)往的行業(yè)實(shí)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(jì)算機(jī)集群技術(shù)在計(jì)算密集性場(chǎng)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(dú)立的服務(wù)器，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和集群軟件系統(tǒng)管理的方式，實(shí)現(xiàn)算力的拓展與使用。未來(lái)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(lái)新的創(chuàng)新點(diǎn)。

• 數(shù)據(jù)安全處理能力持續(xù)加強(qiáng)

隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，數(shù)據(jù)安全成為各行各業(yè)的關(guān)注焦點(diǎn)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(jì)算往往涉及到大量?jī)?nèi)部數(shù)據(jù)的分析與處理，一個(gè)數(shù)據(jù)安全管理能力越強(qiáng)的超算服務(wù)公司，越能夠給客戶企業(yè)帶來(lái)業(yè)務(wù)信任，從而實(shí)現(xiàn)客戶粘性，實(shí)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(chǎng)景對(duì)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(duì)各個(gè)典型使用場(chǎng)景有著深刻的理解，才能設(shè)計(jì)出符合下游用戶使用習(xí)慣的產(chǎn)品服務(wù)矩陣。