权威科普：什么是高性能计算？

高性能计算(HPC)利用超级计算机和并行处理技术，快速完成耗时较长的任务或同时完成多个任务。HPC市场既是一个传统的市场，又是一个新兴的、高速发展的市场。定位高端用户、标杆项目，影响力大、平民化趋势、快速发展。

为什么要做高性能计算？人类对计算及性能的要求是无止境的。

从系统的角度：集成系统资源，以满足不断增长的对性能和功能的要求

从应用的角度：适当分解应用，以实现更大规模或更细致的计算

解决问题: 科学和工程问题的数值模拟与仿真（计算密集、数据密集、网络密集、三种混合）。

什么是高性能计算机 高性能计算机介绍【详解】
　　导读：高性能计算机顾名思义是一种性能比普通计算机高的计算机，它内部配置了多个处理器共同组成高性能计算机的一部分，通过多台计算机也可以实现高性能计算操作，高性能计算机需要在相应的高性能计算系统或者环境当中运行，那么你对高性能计算机的了解有多少呢?下面我们就一起来了解一下高性能计算机的一些相关介绍吧。　　

　　一、高性能计算简介：

　　高性能计算指通常使用很多处理器(作为单个机器的一部分)或者某一集群中组织的几台计算机(作为单个计 算资源操作)的计算系统和环境。有许多类型的HPC 系统，其范围从标准计算机的大型集群，到高度专用的硬件。大多数基于集群的HPC系统使用高性能网络互连，比如那些来自 InfiniBand 或 Myrinet 的网络互连。基本的网络拓扑和组织可以使用一个简单的总线拓扑，在性能很高的环境中，网状网络系统在主机之间提供较短的潜伏期，所以可改善总体网络性能和传输速率。　　

　　二、高性能计算机：

　　高性能计算机能够执行一般个人电脑无法处理的大资料量与高速运算的电脑。其基本组成组件与个人电脑的概念无太大差异，但规格与性能则强大许多，是一种超大型电子计算机。具有很强的计算和处理数据的能力，主要特点表现为高速度和大容量，配有多种外部和外围设备及丰富的、高功能的软件系统。现有的超级计算机运算速度大都可以达到每秒一太次以上。

　　高性能计算机是计算机中功能最强、运算速度最快、存储容量最大的一类计算机，多用于国家 高科 技领域和尖端技术研究，是一个国家科研实力的体现，它对国家安全，经济和社会发展具有举足轻重的意义。是国家科技发展水平和综合国力的重要标志。　　

　　作为高科技发展的要素，高性能计算机早已成为世界各国经济和国防方面的竞争利器。经过中国科技工作者几十年不懈地努力，中国的高性能计算机研制水平显著提高，成为继美国、日本之后的第三大高性能计算机研制生产国。中国现阶段超级计算机拥有量为22台(中国内地19台，香港1台，台湾2台)，居世界第2位，就拥有量和运算速度在世界上处于领先地位，随着超级计算机运算速度的迅猛发展，它也被越来越多的应用在工业、科研和学术等领域。但就高性能计算机的应用领域来说中国和发达国家美国、德国等国家还有较大差距。中国高性能计算机及其应用的发展为中国走科技强国之路提供了坚实的基础和保证。

　　高性能计算机“π”系统23日在上海交通大学上线运行，将支持俗称“人造太阳”的惯性约束核聚变项目等高端科研工程。据介绍，“π”系统峰值性能达到263万亿次，位列最新全球TOP500榜单第158名。该系统由浪潮公司设计构建，该系统上线将重点支持上海交通大学的教学科研，将成为“IFSA惯性约束聚变科学与应用协同创新中心”的超算核心支持平台。

　　三、高性能计算机的用途：

　　1.气候预测：借助超级计算机预测气候变化，从而减轻气候变化给人类带来的破坏。

　　2.交通业：超级计算机可用来认识和改进汽车、飞机或轮船等交通工具的空气流体动力学、燃料消耗、结构设计、防撞性，并帮助提高乘坐者舒适度、减少噪音等，所有这些都具有潜在的经济和安全收益。

　　3.生物信息学和计算生物学：生物学已经显示出巨大的计算需求，超级计算机将帮助寻找疾病治疗的革命性方法。　　

　　4.社会健康与安全：比如，污染、灾难规划以及针对本地和国家基础设施进行的恐怖主义活动等。

　　5.地震：对地震的模拟能帮助人类探索地震预测方法，从而减轻与地震相关的风险。

　　6.地球物理探测和地球科学：比如石油的勘测问题，这类问题具有潜在和巨大的经济效益。

　　7.天体物理学：模拟时间进程并加速这种模拟的进程，从而对天体的演变进行建模和理论试验。

　　8.材料科学与计算纳米技术：对物质和能量的模拟是计算密集型的。

　　上面就是高性能计算机的一些相关介绍，你了解了吗?通过以上的介绍，我们可以更加深入的了解高性能计算机，我们从以上的介绍当中，还可以了解高性能计算机的一些用途，这样我们就可以通过高性能计算机来实现一些功能，为我们的生活甚至工作带来更多的方便。

被忽视的国之重器：高性能计算那些事儿

高性能计算机（HPC，又称超级计算机）主要被用来解决其他计算机解决不了的挑战性问题，通常指具有极快运算速 度、极大存储容量、极高通信带宽的一类计算机。高性能计算被视为计算机科学与工程的“皇冠”，各国近年来均频繁从国家层面启动研制计划。

1. 高性能计算是重要科技方向

高性能计算机（HPC，High Performance Computer，又称超级计算机）是国之重器。从核爆炸模拟、油藏模拟，到极端天气预报等，高性能计算都守护着国家安全和安宁。因此，高性能计算也成为衡量国家之间综合实力的基准之一，被视为国家实力的象征。2020 年以来，十四五和新基建驱动我国高性能计算中心建设进入高速增长期，多地地方 政府和企事业单位都在积极建设和筹建高性能计算中心。

1.1. 高性能计算是什么？

高性能计算是指将多个计算节点组织起来，通过网络连接在一起，进行协同工作，组成一台性能更强大的计算机，通常指具有极快运算速度、极大存储容量、极高通信带宽的一类计算机。高性能计算能够让整个计算机集群为同一个任务工作，以更快的速度来解决一个复杂问题。一台高性能计算上往往执行一个任务（或者有限的几个任务）。全部的计算机资源都被倾注到同一个任务中。为了解决同一个问题，集群的不同计算机之间要有非常好的沟通能力。

图1：高性能计算节点互联示意图

高性能计算机是计算机和网络的结合。假设说互联网从外部将分立的计算机连接在一起，那么集群则是将网络内部化，让网络成为系统内部不同计算机的沟通桥梁。首先创造性发明集群的是有“高性能计算之父”之称的 Seymour Cray。在 1960 年代，可以进行高性能运算的仅仅是经过特别设计的、昂贵的大型机。这些大型机需要复杂的回路以实现高运算频率，所以其设计和生产周期都非常长。

Seymour Cray 提出并行是提高计算机性能的有效方式。1964 年，Seymour Cray 研制的 CDC 6600 问世，他将多个普通的处理器连接起来，并使得这些处理器协同工作。政府和科研部门开始采购这样的新型的高性能计算机，以代替原有的大型机。高性能计算机为登月计划等大型科研项目做出了不可磨灭的贡献，开启了高性能计算技术和产业多年的持续发展与繁荣。

高性能计算近 60 年的演变路线可简单地分为 2 个阶段：Cray 时代和多计算机时代。

（1）Cray 时代。从 20 世纪 60—90 年代初期的 30 年被称为“Cray 时代”，以单一内存向量机的技术革新为主导，Cray 定义和引领了前 30 年的高性能计算市场。第一个 30 年研制以“顶天”为主，仅服务于国家战略部门。

（2）多计算机时代。从 20 世纪 90 年代迄今的后 30 年被称为“多计算机时代”，由于微处理器的出现，以及大量工业标准硬件的普及，以大规模互连多个通用乃至商用的计算部件的可扩展系统结构的技术创新主导了迄今为止的高性能计算发展。后 30 年的高性能计算机在满足国家战略应用对性能巅峰需求的同时，“立地”成为发展的主要目标，市场驱动、高性能计算应用普及成为第二阶段的显著特点。

1.2. 高性能计算为什么重要？

高性能计算是计算机科学与工程的“皇冠”。高性能计算是计算机技术的源头之一。互联网产业依赖的数据中心的核心技术，诸如 Hadoop 等并行编程工具和 RDMA 等远程通信技术大多脱胎于此。因此，高性能计算机被视为计算机科学与工程的“皇冠”。各国均频繁从国家层面启动研制计划。在中国多次上榜全球高性能计算 TOP500 后，美国自 2015 年起将多所中国高性能计算相关机构或企业列入实体清单，包括国防科大、无锡江南计算技术研究所、曙光、申威等。而我国高性能计算整体实力和美国相比仍然有较大 差距。

因此，发展自主可控的高性能计算至关重要。

2. 高性能计算的技术壁垒高

高性能计算的核心能力是 64 位双精度浮点运算能力。高性能计算是一种通用算力，其设计目标是提供完备、复杂的计算能力，在高精度计算能力更强。业界广泛用于衡量 高性能计算性能的 Linpack 测试，测试的是高性能计算的“双精度浮点运算能力”，即 64 位浮点数字的计算（FP64），这是一种高精度的数值计算。在以二进制所表示数字精度 中，还有单精度（32 位，FP32）、半精度（16 位，FP16）以及整数类型（如 INT8、INT4）等。数字位数越高，意味着人们可以在更大范围内的数值内体现两个数值的变化，从而 实现更精确计算。

高性能计算在底层芯片性能要求上高于普通的数据中心和智算中心。算力中心有多 种，大致可分为数据中心、高性能计算中心、智算中心等，而它们都可以用云的形式来 提供服务。以实现人工智能需求为例，推理、训练和模拟为 AI 的三类主要任务。

在此维度上，芯片的应用上限由其底层构造所决定，即使采用软件优化也无法再提升。从芯 片层面来看，如果底层芯片采用的是 CPU+专用 AI 芯片，那么其只能完成 AI 推理和训 练任务，而无法完成模拟。因为 AI 芯片无法实现双精度浮点运算，双精度浮点运算大 量涉及线性代数方程求解，而自然界的很多问题，包括科学问题、社会问题等，最后都 可转化为线性代数方程求解问题。

高性能计算的体系结构设计和软件同样重要。芯片是高性能计算的重要组成部分，但不是高性能计算技术的全部。高性能计算不是简单的 CPU 堆砌，体系结构设计、高 速互联网络、并行文件系统、储存列阵等方面如果有所欠缺，即使堆再多的 CPU，高性 能计算性能也无法提高。随着计算能力的增强、应用课题规模和复杂度的增加，高性能 计算机对并行文件系统等性能要求越来越高。高性能计算的技术溢出效益非常明显。由 于服务器可以平滑地采用高性能计算的互联技术、CPU 技术、操作系统技术和并行软件 设计等技术，在高性能计算方面的积累能够自然地溢出到服务器产业。

3. 高性能计算市场高度景气

3.1. 高性能计算主要应用于哪些场景？

高性能计算适用于需要并行运算的任务，应用场景持续拓展。高性能计算主要应用场景分为两类，一类是飞行器设计、核模拟实验、星云模拟、解密码等数值模拟场景，一类是大数据分析、统计和人工智能等数据分析场景。

由于飞行器等工程设计中很多情 况无法实测，只能进行计算模拟，因此美国对出口高性能计算十分谨慎。高性能计算应用正在从过去的高精尖向更广更宽的方向发展。随着高性能计算的发展，尤其是使用成本的不断下降，其应用领域也从具有国家战略意义的核武器研制、信息安全、石油勘探等科学计算领域向更广泛的国民经济主战场快速扩张，比如制药、基因测序、动漫渲染、数据挖掘、金融分析以及互联网服务等等。

从 2021 年 11 月中国高性能计算机 TOP100 中的行业应用领域 Linpack 性能份额来看，算力服务、高性能计算中心、人工智能、科学计算等领域是高性能计算的主要用户，互联网大数据特别是 AI 领域增长强劲。

图6：中国 TOP100 行业应用领域份额（2021.11）

3.2. 高性能计算的市场空间有多大？

十四五和新基建驱动高性能计算进入快速增长期。我国高性能计算中心建设主要通过部省（市）合作协议确立高性能计算中心的建设计划，国家科技部代表国家科技战略对主机性能设定目标。地方政府希望高性能计算中心能成为区域科技发展的功能载体，为其聚集人才、创新科技并推动经济发展。2021 年 3 月，我国“十四五规划”中明确提出，要“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 10E 级超级计算中心。”根据规划，合肥、兰 州、厦门、太原等地多地都将陆续建立高性能计算中心。

“东数西算”工程落地有望进一步促进西部地区发展高性能计算中心。2022 年 2 月，国家发改委批复同意在京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝、内蒙古、贵州、甘肃、宁夏等 8 地启动建设国家算力枢纽节点，并规划了 10 个国家数据中心集群。至此，全国一体化大数据中心体系完成总体布局设计，代表着“东数西算”工程正式全面启动。西部有风力发电、光伏发电，能源丰富，而且年平均气温比较低，十分适合计算中心的生存，而高性能计算业务对实时通讯的需求不高，未来高性能计算中心有望成为优化算力布局的重要载体。

我们预计大型高性能计算中心单个投入在 20 亿元以上，按平均每年新建 5 个高性能计算中心计算，政府规划的高性能计算中心市场规模每年将达到 100 亿元。

2022 年中国整体高性能计算市场规模将超 400 亿元。除政府规划外，阿里、腾讯等 多家互联网巨头均积极布局高性能计算建设。以腾讯为例，其于 2020 年 6 月正式开工 的长三角人工智能高性能计算中心投资超 450 亿元，建成后将承担各种大规模 AI 算法 计算、机器学习、图像处理、科学计算和工程计算任务。此外，金融机构、运营商等均 在积极部署自己的高性能计算。根据观研天下预测，2022 年中国高性能计算行业总体市 场规模将超 400 亿元，2021-2025 年 CAGR 为 13%左右。

4. 高性能计算市场竞争格局稳定

联想、曙光、浪潮市占率分列前三。从中国高性能计算 TOP100 中主要公司系统个数统计来看，2002 年之前，TOP100 主要是国外的 HP、IBM 为主，后期以中国的联想、曙光和浪潮为主。

中科曙光在 1998 年完成 863 项目“曙光 2000”可扩展机群体系结构的超级服务器，2001 年完成“曙光 3000”超级服务器后，从 2005 年开始，市场竞争开始有突出表现，曙光 2010-2019 年连续 10 年按装机台数市场份额第一，2019 年占到接 近 40%。

浪潮在 2012 年完成“863 计划”容错服务器项目后，2014 年开始有明显起色。

联想公司通过 2014 年对 IBM 公司 X86 HPC 产品线的并购，市场份额异军突起，到 2021年已实现 TOP100 装机台数份额第一。

而联想、浪潮、曙光中，只有曙光拥有从芯片等 硬件到软件系统的国产自主知识产权。

5. 高性能计算相关投资机会

随着十四五规划和新基建推进，以及高性能计算应用行业领域拓展，人工智能等应用需求强劲，高性能计算产业有望迎来更广阔的市场空间。高性能计算技术壁垒高，从科研成果到市场表现需要约 2-4 年时间，国内竞争格局较为稳定。

相关标的：推荐国产高性能计算龙头中科曙光，高性能计算中心建设运营服务商神州数码，建议关注高性能计算全球份额领先的浪潮信息、联想集团等。

6. 风险提示

1、行业竞争加剧：随着高性能计算市场发展，可能有越来越多的新进入者参与行 业竞争，影响公司业绩；

2、政策推进不及预期：受到国际形势、国内经济形势等影响，相关利好政策可能进 展不及预期，从而影响行业发展；

3、疫情风险超预期：疫情导致的风险偏好下降超过市场预期