2.2 基礎(chǔ)技術(shù)

2.2.1 高性能計(jì)算平穩(wěn)發(fā)展

超級(jí)計(jì)算機(jī)（簡稱“超算”）屬于戰(zhàn)略性高新技術(shù)領(lǐng)域，被稱為“國之重器”。中國高度重視并支持超級(jí)計(jì)算系統(tǒng)的研發(fā)。一年來，“十三五”期間高性能計(jì)算重點(diǎn)專項(xiàng)的相關(guān)課題逐步結(jié)題，在E級(jí)超算原型機(jī)、特色應(yīng)用研發(fā)等方面，取得了關(guān)鍵技術(shù)設(shè)想驗(yàn)證及若干關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)突破的一系列成果，向世界先進(jìn)水平又邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。

1.超算數(shù)量保持優(yōu)勢(shì)

在國際超級(jí)計(jì)算機(jī)性能評(píng)測(cè)組織“TOP 500”公布的最新一期（2020年6月）全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單中，中國超算的上榜數(shù)量為226臺(tái)，在總體性能方面，中國以565 Petaflops繼續(xù)居第二位。目前中國第一、世界第四的超算“神威·太湖之光”，浮點(diǎn)運(yùn)算性能為9.3億億次，自主研發(fā)的處理器是其最大亮點(diǎn)。但是，中國超算在軟件應(yīng)用生態(tài)的成熟度上與世界先進(jìn)水平相比，仍有較大差距。

在Green 500排行榜上，中國大陸和港澳臺(tái)地區(qū)的超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總數(shù)為229臺(tái)。其中，中科曙光研制的E級(jí)超算原型機(jī)排名最前，排第14名。它采用了曙光TC8600服務(wù)器，裝配32核海光中央處理器（CPU）、深度計(jì)算處理器（Deep Computing Processor）、200Gb 6D-Torus的內(nèi)部高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)的能效為11.38 GFlops/Watt，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

2.超算技術(shù)發(fā)展迅猛，為特色應(yīng)用添彩

在E級(jí)超算方面，中科曙光、神威、天河三家公司齊頭并進(jìn)。中科曙光的E級(jí)超算原型機(jī)采用了自主研發(fā)的X86架構(gòu)處理器和加速器的異構(gòu)眾核體系架構(gòu)，克服了采用X86處理器與國產(chǎn)加速器達(dá)到較高性能所存在的技術(shù)難點(diǎn)。神威E級(jí)超算原型機(jī)的硬件、軟件及應(yīng)用系統(tǒng)中的處理器、網(wǎng)絡(luò)芯片組、存儲(chǔ)和管理系統(tǒng)全部實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。而“天河三號(hào)”E級(jí)超算原型機(jī)則采用了自主可控的飛騰處理器、天河高速互聯(lián)通信和麒麟操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全部芯片國產(chǎn)化。到目前為止，以上3個(gè)E級(jí)超算原型機(jī)系統(tǒng)全部完成交付并分別部署于國家超算深圳中心和上海超級(jí)計(jì)算中心、國家超算天津中心、國家超算濟(jì)南中心。E級(jí)超算原型機(jī)系統(tǒng)的研制成功，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵技術(shù)設(shè)想驗(yàn)證及若干關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)的突破和優(yōu)化改進(jìn)，為中國下一代超級(jí)計(jì)算機(jī)的順利研制打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在低功耗超算方面，中科曙光發(fā)布了新一代“硅立方”高性能計(jì)算機(jī)。它是全球首款采用浸沒式液體相變冷卻技術(shù)的刀片式服務(wù)器超算系統(tǒng)，深浸在恒壓液體中的中央處理器、加速器及主板等部件均可正常通電運(yùn)行。“硅立方”的冷卻技術(shù)使系統(tǒng)性能提升了5%以上，而電能使用效率（PUE）可降至1.04以下。換言之，這相當(dāng)于用40W的功率即可冷卻1000W計(jì)算設(shè)備，相較于傳統(tǒng)風(fēng)冷系統(tǒng)需要的500～1000W降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

在特色應(yīng)用方面，中國科學(xué)院針對(duì)合金微組織演化相場(chǎng)，成功研發(fā)出合金微組織演化大模擬并行軟件ScETD-PF。該軟件是基于可擴(kuò)展緊致指數(shù)時(shí)間差分算法庫的相場(chǎng)模擬軟件，實(shí)現(xiàn)了世界最大規(guī)模的合金微組織粗化過程的相場(chǎng)模擬，有助于加快中國新型合金的設(shè)計(jì)和加工工藝的優(yōu)化。中國科學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用ScETD-PF軟件所運(yùn)行的合金微組織粗化過程的相場(chǎng)模擬，規(guī)模較以往提高近百倍，實(shí)現(xiàn)了超過千萬核的擴(kuò)展性能，相場(chǎng)模擬實(shí)際性能達(dá)到峰值的40%，遠(yuǎn)高于普通軟件約5%的水平。

3.多地超級(jí)計(jì)算中心建設(shè)方興未艾

目前，昆山市、鄭州市、成都市正在或籌備建設(shè)超級(jí)計(jì)算中心，如表2-1所示。

2.2.2 芯片技術(shù)多樣化發(fā)展進(jìn)步明顯

芯片尤其是高端計(jì)算芯片、存儲(chǔ)芯片、通信芯片，是支撐信息社會(huì)的核心硬件。隨著中國新基建重大措施的推進(jìn)，芯片發(fā)展迎來新機(jī)遇，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)通過自主創(chuàng)新不斷提升產(chǎn)品性能，芯片的設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)等環(huán)節(jié)同步保持發(fā)展。

1.計(jì)算芯片起步雖晚，但發(fā)展迅速

國內(nèi)計(jì)算芯片起步較晚，近年來發(fā)展速度有所加快。根據(jù)世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計(jì)組織（WSTS）統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，2019年，中國CPU市場(chǎng)規(guī)模為111.4億美元，同比增長25.6%。國內(nèi)CPU芯片目前形成以X86、ARM、MIPS、RISC-V、Alpha等多種架構(gòu)為代表的系列化處理器產(chǎn)品格局，在特殊應(yīng)用集成電路（ASIC）專用芯片等部分領(lǐng)域具有一定競(jìng)爭力。國內(nèi)海光、龍芯、兆芯、華為海思、申威、中晟宏芯等企業(yè)積極推進(jìn)計(jì)算芯片的研發(fā)，相關(guān)產(chǎn)品開始批量應(yīng)用于服務(wù)器市場(chǎng)和移動(dòng)端市場(chǎng)。在服務(wù)器CPU領(lǐng)域，飛騰于2019年9月發(fā)布新四核處理器FT-2000/4。在桌面（Desktop）計(jì)算機(jī)CPU領(lǐng)域，兆芯于2019年6月發(fā)布KX-6000系列國產(chǎn)X86處理器；龍芯于2019年12月發(fā)布基于MIPS架構(gòu)的通用CPU產(chǎn)品3A4000/3B4000。在嵌入式CPU領(lǐng)域，阿里巴巴旗下的平頭哥半導(dǎo)體有限公司于2019年8月發(fā)布了基于RISC-V架構(gòu)的玄鐵910處理器。

2.存儲(chǔ)芯片研發(fā)突破不斷，總體發(fā)展勢(shì)頭良好

中國存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)進(jìn)展迅速，逐漸從技術(shù)突破階段向產(chǎn)能提升階段躍遷，長江存儲(chǔ)、合肥長鑫、紫光集團(tuán)、兆易創(chuàng)新等一批行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)積極推進(jìn)存儲(chǔ)技術(shù)攻關(guān)。在DRAM方面，合肥長鑫的DRAM存儲(chǔ)器取得突破，DDR4（19nm，8Gb）正式量產(chǎn)，截至2019年底，月產(chǎn)能已達(dá)萬片，并在17nm級(jí)產(chǎn)品研發(fā)方面取得重大進(jìn)展。在NAND Flash方面，長江存儲(chǔ)在Xtacking技術(shù)方面的研發(fā)進(jìn)展順利，在2019年第三季度開始量產(chǎn)64層3D NAND Flash，在2020年4月成功研發(fā)128層3D NAND Flash。中國存儲(chǔ)芯片總體發(fā)展勢(shì)頭良好，但形成大規(guī)模產(chǎn)業(yè)還需持續(xù)創(chuàng)新突破。

3.通信芯片助力5G商用

在基帶芯片方面，中國已有海思巴龍5G01芯片、展銳春藤510芯片等支持5G通信協(xié)議的國產(chǎn)芯片問世，支持5G正式商用。在射頻芯片方面，國內(nèi)主要由無生產(chǎn)線設(shè)計(jì)公司（Fabless）通過設(shè)計(jì)、代工、封裝環(huán)節(jié)的協(xié)同，形成“軟IDM”的運(yùn)營模式。目前主要的芯片設(shè)計(jì)公司有紫光展銳、唯捷創(chuàng)芯、中普微、中興通訊、中科漢天下等。國內(nèi)射頻芯片與國際水平相比，還存在較大差距，在芯片設(shè)計(jì)、研發(fā)、生產(chǎn)等方面任重道遠(yuǎn)。

4.芯片工藝發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存

2019年，中國集成電路制造業(yè)技術(shù)穩(wěn)步發(fā)展，12英寸生產(chǎn)線工藝制程覆蓋65～14nm，8英寸生產(chǎn)線工藝制程覆蓋0.25μm～90nm，6英寸生產(chǎn)線工藝制程覆蓋1.0～0.35μm，均已實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。目前，中國集成電路制造技術(shù)與以三星、英特爾等為代表的國際先進(jìn)水平相比，仍存在一定的差距，在先進(jìn)邏輯工藝方面，存在2～3代技術(shù)差距，但中芯國際、華力微等國內(nèi)行業(yè)龍頭企業(yè)正在努力縮小這一差距。中芯國際于2019年第四季度量產(chǎn)14nm工藝芯片，并在2020年內(nèi)擴(kuò)大產(chǎn)能。華力微在28nm的28LPC、28HK、28HKC+等多種工藝平臺(tái)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，22nm工藝研發(fā)快速推進(jìn)，14nm工藝研發(fā)取得一定進(jìn)展，工藝全線貫通。

2.2.3 軟件技術(shù)各領(lǐng)域取得積極進(jìn)展

從整個(gè)軟件技術(shù)體系發(fā)展情況來看，操作系統(tǒng)、編程語言與編譯器、工業(yè)軟件已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)信息產(chǎn)業(yè)和先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵支撐。

1.操作系統(tǒng)行業(yè)整合趨勢(shì)顯著

當(dāng)前，國外操作系統(tǒng)在中國市場(chǎng)仍然占據(jù)主導(dǎo)地位，國產(chǎn)操作系統(tǒng)在一些專用領(lǐng)域已形成一定規(guī)模的使用，移動(dòng)端操作系統(tǒng)也開始自主研發(fā)，并取得積極進(jìn)展。新興物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域已有多套解決方案，并有多個(gè)項(xiàng)目落地。國產(chǎn)操作系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)尚未形成，仍需繼續(xù)深耕。

（1）服務(wù)器操作系統(tǒng)/云操作系統(tǒng)形成一定競(jìng)爭力。2019年12月，華為正式開放歐拉操作系統(tǒng)源碼，并聯(lián)合國內(nèi)優(yōu)勢(shì)力量建設(shè)openEuler開源社區(qū)。2020年3月，麒麟、普華、統(tǒng)信、中國科學(xué)院軟件研究所推出了基于openEuler的國產(chǎn)操作系統(tǒng)發(fā)行版。2019年12月，中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)將中標(biāo)麒麟與銀河麒麟正式整合并著力開發(fā)統(tǒng)一操作系統(tǒng)，構(gòu)建了飛騰處理器與麒麟操作系統(tǒng)協(xié)同的技術(shù)體系。隨著鯤鵬、飛騰等國產(chǎn)服務(wù)器處理器的性能提升和市場(chǎng)份額的擴(kuò)大，國內(nèi)服務(wù)器操作系統(tǒng)有了更好的適配對(duì)象，形成一定的競(jìng)爭力。

（2）桌面端/終端操作系統(tǒng)開發(fā)穩(wěn)中有進(jìn)。華為公司于2019年8月發(fā)布基于微內(nèi)核的鴻蒙操作系統(tǒng)（HarmonyOS）。統(tǒng)信公司于2020年5月發(fā)布其UOS產(chǎn)品體系，其中前身為深度操作系統(tǒng)（Deepin Linux）的桌面操作系統(tǒng)個(gè)人體驗(yàn)版因其良好的交互界面受市場(chǎng)關(guān)注。

2.編程語言與編譯器工具鏈漸受重視

在領(lǐng)域?qū)Ｓ镁幊陶Z言（DSL）方面，2019年12月寒武紀(jì)公司推出了包括BANG編程語言在內(nèi)的一套高效軟件棧工具和高性能庫，方便開發(fā)者在寒武紀(jì)云、邊、端平臺(tái)上開發(fā)和部署。國內(nèi)一些知名硬件廠商，如阿里中天微、中科龍芯等，也在積極研發(fā)基于GCC、LLVM的編譯器后端，以發(fā)揮自身硬件優(yōu)勢(shì)。

3.工業(yè)軟件亟須補(bǔ)短板

國內(nèi)工業(yè)軟件整體發(fā)展較晚，但在部分細(xì)分領(lǐng)域已經(jīng)開發(fā)了具有一定競(jìng)爭力的產(chǎn)品，如地理信息基礎(chǔ)軟件領(lǐng)域的超圖軟件、石油勘探領(lǐng)域的一體化網(wǎng)絡(luò)測(cè)井軟件CIFLog等。在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件領(lǐng)域，中望軟件、浩辰、重慶勵(lì)頤拓軟件等公司正積極開展相關(guān)軟件研發(fā)，并在一些重要行業(yè)得到應(yīng)用。而隨著貿(mào)易摩擦和部分國家出口管制日益加劇，一直依賴國外工業(yè)軟件的行業(yè)和實(shí)體面臨“斷供”威脅。例如，華為公司在芯片中設(shè)計(jì)的EDA產(chǎn)品被禁用，哈爾濱工業(yè)大學(xué)因被列入美國的實(shí)體清單而導(dǎo)致MATLAB軟件的相關(guān)授權(quán)被迫終止。因此，工業(yè)軟件國產(chǎn)化迫在眉睫。