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　　錢德沛，中國科學(xué)院院士，北京航空航天大學(xué)教授，長期從事計算機體系結(jié)構(gòu)和高性能計算系統(tǒng)研究，主持研發(fā)了國家高性能計算環(huán)境CNGrid，提出了改善眾核并行編程的系統(tǒng)性方法，促進了高性能計算的普及應(yīng)用。作為高性能計算方向國家重大項目總體組長，他帶領(lǐng)團隊確立了高性能計算機的體系結(jié)構(gòu)和技術(shù)方案，實現(xiàn)了高性能計算機的跨越發(fā)展，兩次獲得國家科技進步獎二等獎。

　　算力，即計算能力，是信息時代的核心動力。從古代的結(jié)繩記事、算籌、算盤，到如今云計算每秒百億億次的超凡計算能力，算力大小直接影響著數(shù)據(jù)處理的速度和效率。從智能手機的每一次觸屏響應(yīng)，到人工智能的顛覆性突破；從氣象預(yù)測的精準模擬，到智慧城市的高效運轉(zhuǎn)——算力，如同工業(yè)時代的電力，滲透到社會運轉(zhuǎn)的每一個角落。截至2025年6月底，我國算力總規(guī)模位于全球第二，已經(jīng)建設(shè)高質(zhì)量數(shù)據(jù)集超過3.5萬個，總體量超過了400PB。那么，算力如何推動千行百業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型？又如何重塑國家競爭實力？

　　算力的跨越式發(fā)展：從實驗室到基礎(chǔ)設(shè)施

　　人類第一臺通用電子計算機ENIAC誕生于1946年的美國，這臺使用了17468個真空電子管、占地170平方米、耗電174千瓦的“龐然大物”，每秒僅能完成5000次加法運算。而如今，美國E級超算“酋長巖”（ElCapi-tan）的運算速度已達每秒270億億次浮點運算。不到80年，算力增長超500萬億倍，遠超摩爾定律的預(yù)測。從全球超級計算機性能發(fā)展數(shù)據(jù)來看，計算機的性能每10——11年提升1000倍，如今最快的計算機已跨越百億億次門檻。一塊小小的芯片，算力便能超越過去占據(jù)數(shù)百平方米機房的巨型計算機的水平，堪稱人類科技史上的奇跡。

　　更重要的是，算力已成為社會基礎(chǔ)設(shè)施，如同人們熟悉的運力（火車、汽車等交通能力）和電力（衡量發(fā)電量與消耗量的能源能力），其發(fā)展經(jīng)歷了幾個階段：20世紀50——60年代的主機時代，僅少數(shù)大機構(gòu)能用，因機器昂貴需“人圍著機器轉(zhuǎn)”避免浪費；70年代的小型機時代，進入學(xué)校供學(xué)生大量使用；70年代末——80年代起的微機時代，走入千家萬戶，個人開始擁有計算能力；當(dāng)前的算網(wǎng)融合時代，計算融入各行各業(yè)、萬物互聯(lián)，無需到機房操作，通過互聯(lián)網(wǎng)即可按需使用數(shù)據(jù)與算力，這正是基礎(chǔ)設(shè)施的核心特征。

　　中國超算的突圍之路：從“卡脖子”到世界領(lǐng)先

　　20世紀六七十年代，美國、日本超算技術(shù)迅猛發(fā)展，1976年世界第一臺億次超算“克雷一號”問世，可以快速完成其他計算機難以勝任的大規(guī)模復(fù)雜運算，而我國因缺乏高性能計算機，科學(xué)研究、經(jīng)濟發(fā)展和國防建設(shè)受到嚴重制約。當(dāng)時，我國石油部門想買美國1億次計算機被拒，只能購入400萬次機型，還要受美方嚴格管控——機房鑰匙由美國人掌握，甚至需將石油礦藏資料送美處理，既耗費巨資又泄露機密。

　　正是這種“卡脖子”的困境，催生了中國超算的自主突破。1983年，我國第一臺超算“銀河一號”問世，以每秒超1億次浮點運算的算力，將中美差距從12年縮短至7年。

　　1986年，“863計劃”為超算發(fā)展點亮曙光。計劃初期聚焦智能計算機，要做能聽、能說的計算機，還能夠?qū)?，這種是和人一樣有交互能力的計算機。1990年因產(chǎn)業(yè)迫切需求轉(zhuǎn)向并行計算機，催生了“曙光”系列超算。此后，我國一步步跨越算力門檻：從萬億次（T級）到千萬億次（P級），再到百億億次（E級）。

　　2006年規(guī)劃“十一五”發(fā)展時，我國科研團隊突破保守思路，瞄準《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006——2020年）》中發(fā)展具有每秒千萬億次以上浮點運算能力和高效可信的超級計算機系統(tǒng)的目標，最終成功研制出3臺千萬億次超算：“曙光6000”（亞洲第一，3000萬億次）、“神威藍光”（全自主處理器，1000萬億次）、“天河一號”（4700萬億次）。2010年，“天河一號”登頂世界超算Top500，讓中國超算站在了全球巔峰。

　　從全球超級計算機500強榜單數(shù)據(jù)看，中國超算上榜總數(shù)長期位居前列，“神威?太湖之光”“天河二號”等機型持續(xù)保持靠前排名。這些超算不僅在性能上躋身世界前列，更在實際應(yīng)用中展現(xiàn)出強大效能。

　　算力賦能千行百業(yè)：上天入地，無處不在

　　如今，算力已從“高嶺之花”變?yōu)榉?wù)社會的“基礎(chǔ)設(shè)施”，在“上天、入地、下海”各領(lǐng)域大顯神通。“上天”包括氣象預(yù)報、衛(wèi)星軌道及數(shù)據(jù)處理、飛行器與飛機研制、遙感圖像處理等；“入地”涵蓋石油及各類礦藏勘探，被國家地質(zhì)調(diào)查局廣泛應(yīng)用；“下?！眲t服務(wù)于海洋研究、船舶設(shè)計等國家海洋發(fā)展戰(zhàn)略；更重要的是“算人”，這涉及基因排序、基因功能計算、新藥研發(fā)及精準醫(yī)療技術(shù)研發(fā)等領(lǐng)域。

　　在科研與戰(zhàn)略領(lǐng)域，超算為節(jié)能減排提供數(shù)字依據(jù)。超算通過地球系統(tǒng)模擬，將陸地、海洋、大氣等自然圈層與人類活動、化學(xué)等圈層納入模型，可精準預(yù)測百年尺度的氣候變化規(guī)律。這為全球氣候談判中我國平衡發(fā)展與碳排放控制提供了數(shù)據(jù)支撐，也是我國提出2030年前碳達峰、2060年前碳中和目標的重要依據(jù)。

　　在民生保障領(lǐng)域，算力讓天氣預(yù)報越來越精準，已能實現(xiàn)小時級預(yù)報，數(shù)值預(yù)報準確率從傳統(tǒng)經(jīng)驗預(yù)報的21.8%提升至90%。我國災(zāi)害頻發(fā)，洪澇、風(fēng)暴、寒潮等災(zāi)害造成嚴重經(jīng)濟損失，高精度短臨及中長期預(yù)報可有效減少損失。例如，廣東省氣象局與國家超算中心研發(fā)的一公里級高分辨率氣象模式，能快速更新未來6小時天氣，提前3天預(yù)報90%以上臺風(fēng)生成，精度超過歐洲中期天氣預(yù)報中心；清華大學(xué)等團隊利用“神威?太湖之光”實現(xiàn)全球3公里分辨率數(shù)值預(yù)報，正推進中國區(qū)域一公里級海陸氣多圈層耦合預(yù)報系統(tǒng)，支撐氣候預(yù)測與精準天氣預(yù)報。

　　在產(chǎn)業(yè)升級領(lǐng)域，算力成為行業(yè)轉(zhuǎn)型的“加速器”。飛機設(shè)計中，過去飛機設(shè)計依賴物理風(fēng)洞，需制作縮小模型進行吹風(fēng)實驗，不僅耗電多、成本高，還受限于模型制作等流程；如今通過計算機數(shù)值模擬（即數(shù)值風(fēng)洞）研究飛行器外形及氣動力性能，雖不能取代物理風(fēng)洞，但能大幅減少實驗次數(shù)，顯著提升設(shè)計速度與質(zhì)量。飛機設(shè)計涉及外形優(yōu)化、噪聲控制、結(jié)冰應(yīng)對、發(fā)動機燃燒模擬等多學(xué)科領(lǐng)域，各學(xué)科間存在耦合影響，這種綜合優(yōu)化過程高度依賴高性能計算，若無強大算力，反復(fù)迭代優(yōu)化將耗費大量時間。我國最新飛機設(shè)計借助算力實現(xiàn)加速，如運-20僅用5年便成功上天，較國外同類機型縮短3年，這與算力支撐密不可分。高鐵通過算力分析影響壽命的關(guān)鍵因素，在保障安全的同時提升運行效率，每年節(jié)省數(shù)百億元維修費。在汽車研發(fā)中，傳統(tǒng)汽車安全性定型需進行上百次實體碰撞試驗，通過在車中安裝假人和傳感器，加速撞擊墻體后收集數(shù)據(jù)以判斷汽車安全性、變形程度及氣囊打開時間等。如今，計算機碰撞模擬程序可大幅優(yōu)化這一過程：模擬實驗成本低（僅耗電）、更精細，能靈活調(diào)整碰撞速度、車輛狀態(tài)及假人狀態(tài)等，實現(xiàn)實體實驗難以完成的場景組合設(shè)置。這不僅為企業(yè)節(jié)省成本，更重要的是縮短了設(shè)計周期，提升了安全性和生產(chǎn)效率。仿真設(shè)計讓壓縮機高效節(jié)能，鼓風(fēng)機、壓縮機等大型流體機械（如南水北調(diào)的抽水機、輸油用壓縮機）耗電量占工業(yè)用電的30%——40%，其能耗每降低1%，每年可為國民經(jīng)濟節(jié)約超1500億元（近10年前數(shù)據(jù)，當(dāng)前節(jié)省額更高）。

　　在新能源與健康領(lǐng)域，算力同樣不可或缺。中國新能源產(chǎn)業(yè)已實現(xiàn)從追趕到全球領(lǐng)先的跨越，20年間風(fēng)力發(fā)電裝機容量躍居世界前列。風(fēng)力發(fā)電機的葉片設(shè)計、風(fēng)場選址等均高度依賴計算，需綜合長期氣象數(shù)據(jù)與地形地貌確定最優(yōu)方案。例如，無錫超算與遠景能源合作的格林威治智慧風(fēng)場項目，12天即可完成全國兩年風(fēng)資源測算，效率大幅提升；廣州超算依托“天河二號”支撐遠景能源風(fēng)光場業(yè)務(wù)，其全球可再生能源服務(wù)平臺將風(fēng)電場投資效益提升20%，直接經(jīng)濟效益超220億元。藥物研發(fā)中，模擬計算讓藥物研發(fā)更加精準。傳統(tǒng)活性化合物篩選需使用高純度化合物實驗，成本極高——如購買數(shù)百種化合物實驗需32億美元。而計算機模擬通過分子化合物庫匹配靶標，優(yōu)勢顯著：篩選范圍廣，開源庫降低成本，還能實現(xiàn)傳統(tǒng)實驗難以完成的觀察。例如，“天河二號”一天內(nèi)即可完成4200萬種已知結(jié)構(gòu)小分子化合物的虛擬篩選，為埃博拉病毒等藥物研發(fā)提速，這在過去難以想象。

　　挑戰(zhàn)與展望：算力競爭是未來的關(guān)鍵戰(zhàn)場

　　盡管成就顯著，算力發(fā)展仍面臨嚴峻挑戰(zhàn)。一方面，算力增長趨緩，2013年后超算性能每10年增長從1000倍降至不足100倍，能耗約束是重要原因——當(dāng)前超算最大功耗達四五十兆瓦，若增至數(shù)百兆瓦相當(dāng)于小城市用電量，難以靠擴大規(guī)模提升性能。美國規(guī)劃的“星際之門”智能超算系統(tǒng)，預(yù)計2028——2030年建成，投資約1000億美元，含100萬個計算芯片，功耗達5000兆瓦（每小時耗電500萬度），接近長江三峽電站四分之一的發(fā)電量。可見，未來算力競爭實質(zhì)是能源競爭。另一方面，人工智能的爆發(fā)式增長對算力需求呈指數(shù)級攀升。以1.8萬億參數(shù)的GPT4為例，其算力需求增長68倍，用2.5萬個英偉達A100卡訓(xùn)練一次需90——100天，大模型訓(xùn)練對算力消耗極大。在此背景下，算力提供形式發(fā)生變化，除傳統(tǒng)超算中心外，出現(xiàn)了面向人工智能的智算中心，以及需要大容量內(nèi)存和虛擬化設(shè)備、服務(wù)通用數(shù)據(jù)的云算中心（通算中心），算力需求愈發(fā)多樣化。

　　應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，中國需走出自主創(chuàng)新之路：推動智算融合雙向賦能，實現(xiàn)領(lǐng)域內(nèi)“通專結(jié)合”；在關(guān)鍵技術(shù)上另辟蹊徑，突破處理器依賴；建立軟硬件協(xié)同的敏捷設(shè)計驗證能力；更重要的是推動模式創(chuàng)新，以應(yīng)用為導(dǎo)向普及算力，讓算力從專家資源變?yōu)槿窨杉暗幕A(chǔ)設(shè)施。未來，我們要建設(shè)覆蓋社會每個角落的“算力網(wǎng)絡(luò)”，如同電網(wǎng)、路網(wǎng)般支撐國家創(chuàng)新。這需要將外部壓力轉(zhuǎn)化為芯片自主的動力，改變“重硬輕軟”的現(xiàn)狀，發(fā)展自主科學(xué)計算與工業(yè)軟件，推動計算與AI深度融合，讓經(jīng)濟社會運行從粗放走向精準，形成普惠的計算服務(wù)生態(tài)，建成強大算力，以支撐數(shù)字化轉(zhuǎn)型與創(chuàng)新型國家建設(shè)。

　　總之，算力是數(shù)字時代的“發(fā)動機”。夯實算力基座，才能推動數(shù)字化轉(zhuǎn)型，支撐創(chuàng)新型國家建設(shè)，讓我國在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革中占據(jù)主動。

（責(zé)編：鄭繼民）