高性能計算被視為計算機科學與工程的“皇冠”，各國近年來均頻繁從國家層面啟動研制計劃。在中國多次上榜全球高性能計算TOP500后，美國自2015年起將多所中國高性能計算相關機構或企業列入實體清單，而我國高性能計算整體實力和美國相比仍然有較大差距。因此，發展自主可控的高性能計算至關重要。

高性能計算機（HPC，High Performance Computer，又稱超級計算機）是國之重器。從核爆炸模擬、油藏模擬，到極端天氣預報等，高性能計算都守護著國家安全和安寧。因此，高性能計算也成為衡量國家之間綜合實力的基準之一，被視為國家實力的象征。2020年以來，十四五和新基建驅動我國高性能計算中心建設進入高速增長期，多地地方政府和企事業單位都在積極建設和籌建高性能計算中心。

高性能計算是什么？

高性能計算是指將多個計算節點組織起來，通過網絡連接在一起，進行協同工作，組成一臺性能更強大的計算機，通常指具有極快運算速度、極大存儲容量、極高通信帶寬的一類計算機。

高性能計算能夠讓整個計算機集群為同一個任務工作，以更快的速度來解決一個復雜問題。一臺高性能計算上往往執行一個任務（或者有限的幾個任務）。全部的計算機資源都被傾注到同一個任務中。為了解決同一個問題，集群的不同計算機之間要有非常好的溝通能力。

高性能計算近60年的演變路線可簡單地分為2個階段：Cray時代和多計算機時代。

（1）Cray時代。從20世紀60—90年代初期的30年被稱為“Cray時代”，以單一內存向量機的技術革新為主導，Cray定義和引領了前30年的高性能計算市場。第一個30年研制以“頂天”為主，僅服務于國家戰略部門。

（2）多計算機時代。從20世紀90年代迄今的后30年被稱為“多計算機時代”，由于微處理器的出現，以及大量工業標準硬件的普及，以大規模互連多個通用乃至商用的計算部件的可擴展系統結構的技術創新主導了迄今為止的高性能計算發展。后30年的高性能計算機在滿足國家戰略應用對性能巔峰需求的同時，“立地”成為發展的主要目標，市場驅動、高性能計算應用普及成為第二階段的顯著特點。

高性能計算為什么重要？

高性能計算是計算機技術的源頭之一。互聯網產業依賴的數據中心的核心技術，諸如Hadoop等并行編程工具和RDMA等遠程通信技術大多脫胎于此。因此，高性能計算機被視為計算機科學與工程的“皇冠”。

各國均頻繁從國家層面啟動研制計劃。在中國多次上榜全球高性能計算TOP500后，美國自2015年起將多所中國高性能計算相關機構或企業列入實體清單，包括國防科大、無錫江南計算技術研究所、曙光、申威等。而我國高性能計算整體實力和美國相比仍然有較大差距。因此，發展自主可控的高性能計算至關重要。

高性能計算在底層芯片性能要求上高于普通的數據中心和智算中心。算力中心有多種，大致可分為數據中心、高性能計算中心、智算中心等，而它們都可以用云的形式來提供服務。

以實現人工智能需求為例，推理、訓練和模擬為AI的三類主要任務。在此維度上，芯片的應用上限由其底層構造所決定，即使采用軟件優化也無法再提升。從芯片層面來看，如果底層芯片采用的是CPU+專用AI芯片，那么其只能完成AI推理和訓練任務，而無法完成模擬。

因為AI芯片無法實現雙精度浮點運算，雙精度浮點運算大量涉及線性代數方程求解，而自然界的很多問題，包括科學問題、社會問題等，最后都可轉化為線性代數方程求解問題。

芯片是高性能計算的重要組成部分，但不是高性能計算技術的全部。高性能計算不是簡單的CPU堆砌，體系結構設計、高速互聯網絡、并行文件系統、儲存列陣等方面如果有所欠缺，即使堆再多的CPU，高性能計算性能也無法提高。

隨著計算能力的增強、應用課題規模和復雜度的增加，高性能計算機對并行文件系統等性能要求越來越高。高性能計算的技術溢出效益非常明顯。由于服務器可以平滑地采用高性能計算的互聯技術、CPU技術、操作系統技術和并行軟件設計等技術，在高性能計算方面的積累能夠自然地溢出到服務器產業。

高性能計算適用于需要并行運算的任務，應用場景持續拓展。高性能計算主要應用場景分為兩類，一類是飛行器設計、核模擬實驗、星云模擬、解密碼等數值模擬場景;一類是大數據分析、統計和人工智能等數據分析場景。由于飛行器等工程設計中很多情況無法實測，只能進行計算模擬，因此美國對出口高性能計算十分謹慎。

高性能計算應用正在從過去的高精尖向更廣更寬的方向發展。隨著高性能計算的發展，尤其是使用成本的不斷下降，其應用領域也從具有國家戰略意義的核武器研制、信息安全、石油勘探等科學計算領域向更廣泛的國民經濟主戰場快速擴張，比如制藥、基因測序、動漫渲染、數據挖掘、金融分析以及互聯網服務等等。

從2021年11月中國高性能計算機TOP100中的行業應用領域份額來看，算力服務、高性能計算中心、人工智能、科學計算等領域是高性能計算的主要用戶，互聯網大數據特別是AI領域增長強勁。

高性能計算市場競爭格局

從中國高性能計算TOP100中主要公司系統個數統計來看，2002年之前，TOP100主要是國外的HP、IBM為主，后期以中國的聯想、曙光和浪潮為主。中科曙光在1998年完成863項目“曙光2000”可擴展機群體系結構的超級服務器，2001年完成“曙光3000”超級服務器后，從2005年開始，市場競爭開始有突出表現，曙光2010-2019年連續10年按裝機臺數市場份額第一，2019年占到接近40%。

浪潮在2012年完成“863計劃”容錯服務器項目后，2014年開始有明顯起色。聯想公司通過2014年對IBM公司X86HPC產品線的并購，市場份額異軍突起，到2021年已實現TOP100裝機臺數份額第一。而聯想、浪潮、曙光中，只有曙光擁有從芯片等硬件到軟件系統的國產自主知識產權。

高性能計算的市場空間

我國高性能計算中心建設主要通過部省（市）合作協議確立高性能計算中心的建設計劃，國家科技部代表國家科技戰略對主機性能設定目標。地方政府希望高性能計算中心能成為區域科技發展的功能載體，為其聚集人才、創新科技并推動經濟發展。

2021年3月，我國“十四五規劃”中明確提出，要“加快構建全國一體化大數據中心體系，強化算力統籌智能調度，建設若干國家樞紐節點和大數據中心集群，建設E級和10E級超級計算中心。”

根據規劃，合肥、蘭州、廈門、太原等地多地都將陸續建立高性能計算中心。“東數西算”工程落地有望進一步促進西部地區發展高性能計算中心。2022年2月，國家發改委批復同意在京津冀、長三角、粵港澳大灣區、成渝、內蒙古、貴州、甘肅、寧夏等8地啟動建設國家算力樞紐節點，并規劃了10個國家數據中心集群。

至此，全國一體化大數據中心體系完成總體布局設計，代表著“東數西算”工程正式全面啟動。西部有風力發電、光伏發電，能源豐富，而且年平均氣溫比較低，十分適合計算中心的生存，而高性能計算業務對實時通訊的需求不高，未來高性能計算中心有望成為優化算力布局的重要載體。

2022年中國整體高性能計算市場規模將超400億元。除政府規劃外，阿里、騰訊等多家互聯網巨頭均積極布局高性能計算建設。以騰訊為例，其于2020年6月正式開工的長三角人工智能高性能計算中心投資超450億元，建成后將承擔各種大規模AI算法計算、機器學習、圖像處理、科學計算和工程計算任務。

此外，金融機構、運營商等均在積極部署自己的高性能計算。根據觀研天下預測，2022年中國高性能計算行業總體市場規模將超400億元，2021-2025年CAGR為13%左右。

參考資料：

20220405-東吳證券-被忽視的國之重器：高性能計算那些事兒

本報告由研究助理協助資料整理，由投資顧問撰寫。投資顧問：黃波（登記編號：A0740620120007）