一文讲清后摩尔时代国产高性能并行应用软件生态建设

后摩尔时代国产高性能并行应用软件生态建设综述

随着摩尔定律逐渐接近其物理极限，后摩尔时代的大门正缓缓开启。作为信息产业发展的风向标，集成电路上的物理规律限制了摩尔定律的延续，而非硅基材料的应用成为寻找新机会的方向之一。但即便如此，物理局限性仍显而易见，如当前最先进的半导体工艺技术大约已削减至5纳米，而硅原子的直径仅约为0.23纳米，若要继续此精细程度的电路控制，物理挑战已清晰可见。

然而，高性能计算（HPC）系统的显著进步明确显示了当前的信息技术发展仍能有效推动人类文明进步。得益于国家战略布局和自主创新的积极介入，我国的HPC系统研发成果斐然，天河、神威等为代表的技术突破刷新了世界纪录，并引领了包括CPU/GPU异构计算技术在内的全球创新潮。例如，国防科技大学研发的天河一号在2010年首次排名全球TOP 500榜首，开创了CPU/GPU并行计算技术的新纪元。随着神威太湖之光、天河系列等系统逐步席卷全球HPC系统性能排行榜，中国在高性能计算领域已拥有世界领先地位。




在应用需求方面，随着技术进步对大数据国计民生需求的满足，高性能并行应用软件生态建设的重要性日益凸显。传统图像和视频交换处理需求正处于收敛阶段，高性能并行应用正成为未来的焦点领域。一方面，高性能应用软件是链接超算系统与现实世界的桥梁，为科学研究、工程技术等领域提供强大的计算能力支撑。另一方面，鉴于其与人类生活交互的直接性，高性能并行应用软件生态建设战略意义重大，其自主研发和布局成为后摩尔时代亟待解决的关键问题。

针对国内高性能计算系统发展的现状和紧迫任务，本文将从系统研制、芯片体系架构、超算中心运营以及国产高性能并行应用软件生态建设等维度进行深入探讨。

在系统研制层面，我国在超算系统的跨越性发展有目共睹，天河一号、天河二号等相继引领世界前沿，形成了独特的HPC矩阵。国家超算天津中心的天津天河一号、广州中心的天河二号以及长沙中心的“天河新一代”系统分别在技术创新、应用示范和跨行业深度融合等方面展现了中国超算行业的强大生命力。这些系统不仅仅在数量上垒高了全球峰值性能榜单，更体现了从技术突破到商业化运营的全链条创新体系。

芯片体系架构百花齐放也是惊人现象，国产CPU/GPU异构融合架构展现出优秀的性能与能效比。以自主设计的天河新一代超算系统为例，其采用的“CPU+GPDSP”架构在高性能、高效性、高可编程性方面实现了重大突破。这不仅体现了国产芯片在兼容性与自研创新之间的巧妙平衡，也预示了未来体系架构的设计可能会更加关注数据处理与存储的协同优化。

在维持良性可持续发展动力方面，国家超算中心的商业化运营探路展示了中国特色发展道路。各中心不仅在技术研发上不断超越自我，且在服务行业实际需求、引导产业创新发展方面发挥了举足轻重的作用。

尽管在高性能并行应用软件生态建设方面取得了显著成就，但仍然存在瓶颈和挑战。目前，国产高性能并行应用软件在关键技术点上已达到世界领先水平，尤其在面向异构体系结构的并行算法及优化方法方面。相关领域合作，如在大科学、大工程以及产业升级和信息化建设中的深度应用，为拓宽研究边界注入了活力。

同时，为了支撑国产高性能计算系统与日俱增的算力需求，应用支撑环境的建设也需持续优化，特别是在前处理、后处理、共性算法库等方面。前处理软件与后处理软件互为表里，共同推动计算流程的流畅性与效率。共性算法库作为桥梁，对于连接底层硬件体系架构与上层应用软件至关重要，其间消耗的人力资源巨大。

在新时代背景下，实现工业软件的国产自主可控乃是我国制造业转型升级的关键。工业软件不仅是先进制造业的灵魂，也是创新链的核心环节。尽管国内在某些领域已初步实现了替代应用软件的自主研发与推广，但与国际一流水平相比，差距是一道待啃的“硬骨头”。

综上所述，国产高性能并行应用软件生态建设显现出蓬勃的发展态势，跨学科人才队伍建设、人才培养与激励机制创新，以及相关政策的引导和支持，是推动这一生态持续发展的核心驱动力。面对后摩尔时代的信息技术挑战与机遇，构建和完善我国自主可控的高性能并行应用软件生态体系，不仅对于推动科技自主创新，提升国家核心竞争力，更是保障我国在新一轮全球科技革命浪潮中占据有利位置的关键战略举措。