【第三眼觀世界】世界超級電腦的發展趨勢

張俊獅 香港恒生大學經濟及金融系副教授 及澳洲悉尼科技大學客座副教授

超級電腦作為現代尖端科技的標誌性硬體，廣泛投入氣象災害預測、航空航天流體模擬、新藥分子研發、油氣地底資源勘探、核子物理實驗演算等眾多關鍵領域，是衡量一國科研實力、工業製造與國防技術水平的重要指標。回顧全球超算半世紀發展歷程，產業依序走過初代向量運算(Vector Computing)、並行集群計算(Massively Parallel Processing, MPP)、千萬億次P級(Petaflops，每秒執行一千萬億次浮點運算)、百億億次E級(Exascale，每秒能執行至少一百萬兆次浮點運算) 四大技術階段，業界長年呈現每十年整機算力跨越千倍的成長規律，整體運算能力相比起步階段實現億倍級提升。

國際TOP500榜單自1993年開始每半年發布一次排名，採用統一基準測試全球超算效能，成為各國超算實力消長最具權威的觀測指標。目前全球超算競賽重心集中在中美兩國，歐盟與日本維持局部技術優勢，各大經濟體紛紛將E級超算研製納入國家重點科技藍圖，搶佔未來數位產業與基礎科學的算力根基。

美國身為超算技術的發源地，從上世紀60年代展開商業化研發，累積將近60年完整技術積澱，長年把持全球超算底層技術優勢。1964年，美國控制數據公司（Control Data Corporation）的CDC6600 問世，是人類歷史上第一款符合現代定義的超級電腦，後續克雷研究公司（Cray Research）在70年代推出Cray-1向量超算系統，正式奠定全球商用超算的產業架構。80年代美國國家科學基金會開設國家超級電腦中心計劃（NSF Supercomputing Centers program），聯合頂尖大學、國家重點實驗室與民間科技企業，穩定培育研發人才、累積工藝經驗。進入二十一世紀，美國陸續打造走鵑、泰坦、頂點等劃時代機型，2018年美國政府啟動三款E級超算專項撥款，先後完成前沿、極光、埃爾卡皮坦三台百億億次量級超算落地。儘管近年因國際地緣政治與戰略隱蔽因素，榜單數據未能完整反映各國真實總量，但公開的官方數據顯示，美國在專用作業系統、加速晶片、底層編譯軟體等關鍵配套生態，仍保有強大的領跑實力。

中國超算研發起步大幅晚於美國，早年長期受制海外技術封鎖與零件限購，重要零件採購常伴隨使用權限約束，客觀環境倒逼國內科研團隊走上全鏈路自主研發之路。1983年銀河一號研製成功，讓中國躋身全球第三個具備獨立研製每秒鐘運算億次以上的巨型電腦能力的國家，拉開國產超算自主化序幕。經過數十年深耕，曙光、天河、神威三大研發體系陸續成型，2010年天河一號首度拿下TOP500全球第一，實現中國超算史上第一次世界第一。2016年，神威太湖之光登上首位，依靠創新應用拿下超算界權重極高的戈登貝爾獎，印證國產硬體與配套軟體的成熟度。儘管近年因國際地緣政治與制裁因素，中國採取戰略隱蔽不再向TOP500官方申報最新機型數據，導致在榜單上，中國的數量下降，但產業界深知中美實質的算力差距正逐年慢慢拉近。近幾年，多套全自主E級超算相繼投入實質運行，在天氣預報、重工業數位模擬等落地場景的規模化應用速度領先多個發達國家。

針對中國能不能在超算領域全面趕超美國這個問題，綜合現有產業數據與技術趨勢預判，比較中肯的看法是，短期三至五年難以全方位反超，但長遠中國卻具備強大的發展潛力。

中國的潛力及競爭優勢，可體現在三個不同的維度。

首先是裝機與場景規模優勢，超算落地數量遙遙領先，龐大的製造業與各行業數碼化需求持續帶動技術反覆運算，真實產業場景源源不斷反哺超算系統優化。

其次為國家層面的連續政策扶持，高性能計算常年列入國家重點研發專項，集中資源突破晶片、底層軟體等關卡。

最後是完備的本土產業鏈布局，從處理器設計、機櫃結構製造到配套行業軟體，國產供應鏈完善度持續攀升，新一代自主E級超算的峰值性能已經匹敵美國頂級機種。

目前因為美國積澱數十年的底層軟體生態，另外由於專用工具鏈與頂尖人才儲備仍具明顯優勢，及部分超算專用精密零件的工藝積累亦存在代差，再加上海外技術管制令研發成本增加，令中國難以在短期內全面反超。但從長遠趨勢觀察，未來五到十年中國有望在總算力規模、產業落地規模、E級機部署數量上實現領先，而伴隨半導體工藝與基礎軟體陸續突破，我國的超級電腦必將在不久的將來，具備全方位躍居全球首位的條件。