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超算：“AI軍備競賽”王炸，產(chǎn)業(yè)格局深度梳理

2023-04-23 17:24:58 來源：雪球網(wǎng) 小 中

近日，科技部高新司在天津組織召開國家超算互聯(lián)網(wǎng)工作啟動會，會議發(fā)起成立了國家超算互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)合體。

科技部將通過超算互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，打造國家算力底座，促進超算算力一體化運營，支撐數(shù)字中國建設(shè)“高速路”。

超算互聯(lián)網(wǎng)是用互聯(lián)網(wǎng)思維運營超算，將全國眾多超算中心通過算力網(wǎng)絡(luò)連接起來，構(gòu)建一體化算力服務(wù)平臺，解決當(dāng)前亟待突破的現(xiàn)有單體超算中心運營模式，以應(yīng)對算力設(shè)施分布不均衡、接口不統(tǒng)一、應(yīng)用軟件自主研發(fā)和推廣不足等問題。

(資料圖片)

當(dāng)前人工智能新一輪浪潮爆發(fā)，超級算力作為“AI軍備競賽”皇冠上的明珠重要性凸顯。

隨著多地超算中心和大型數(shù)據(jù)中心建設(shè)升級項目興起，助推超級計算市場迅速增長。根據(jù)Synergy Research Group數(shù)據(jù)，全球超級數(shù)據(jù)中心數(shù)量從2017年的390個增長至2022年二季度的659個，增長近一倍，預(yù)計2024年總數(shù)將超1000個。

01 算力：人工智能核心底座

在人工智能發(fā)展的三要素中，數(shù)據(jù)與算法都離不開算力的支撐。

根據(jù)OpenAI數(shù)據(jù)，ChatGPT浪潮下算力缺口巨大，模型計算量增長速度遠超人工智能硬件算力增長速度，存在萬倍差距。

大模型呈爆發(fā)態(tài)勢（更多的參數(shù)/更大的算力芯片需求）：

資料來源：英偉達官網(wǎng)

現(xiàn)階段算力規(guī)模重點包括基礎(chǔ)算力、智能算力和超算算力三部分，分別提供基礎(chǔ)通用計算、人工智能計算和科學(xué)工程計算。

基礎(chǔ)通用算力主要是基于CPU芯片的服務(wù)器所提供的計算能力。

智能算力主要是基于GPU、FPGA、ASIC等芯片的加速計算平臺提供人工智能訓(xùn)練和推理的計算能力。

超算算力主要是基于超級計算機等高性能計算集群所提供的計算能力。

02 超算行業(yè)概覽

超級計算，又稱高性能計算（HPC），指利用并行工作的多臺計算機系統(tǒng)（即超級計算機）的集中式計算資源，處理極端復(fù)雜或數(shù)據(jù)密集型問題。超級計算以每秒浮點運算次數(shù)衡量，Petaflops為度量單位，超級計算具備極強計算能力，其浮點運算速度達到千萬億次每秒。

超級計算通過高性能的計算能力賦能數(shù)據(jù)回收與分析、數(shù)據(jù)模擬等場景，處理極端復(fù)雜或數(shù)據(jù)密集型問題；按照算力資源劃分為尖端、通用、業(yè)務(wù)和人工智能超算四大類。

構(gòu)成超算中心的超級計算機每秒運算速度高達10億億次，其計算能力相當(dāng)于200多萬臺普通計算機，能計算普通計算機和服務(wù)器不能完成的大型復(fù)雜計算。

相比于數(shù)據(jù)中心分布式運行、以軟件實現(xiàn)其擴展的模式，超算中心采用集中式的集群邏輯，耦合度高，單機性能好，其應(yīng)用主要集中于高性能計算領(lǐng)域。

超算目前主要提供國家高科技領(lǐng)域和尖端技術(shù)研究所需的運算速度和存儲容量，專用性更高。

近年來，中國不斷強化統(tǒng)籌算力調(diào)度、建設(shè)若干國家樞紐節(jié)點和大數(shù)據(jù)中心集群，建設(shè)高性能計算機集群，部署超級計算中心，從而推動超算的發(fā)展。

我國國家超級計算中心是由國家科技部批準(zhǔn)建立的數(shù)據(jù)計算機構(gòu)。

截止2022年底，國內(nèi)已建成10家國家超級計算中心，分別是：

國家超級計算天津中心：部署有“天河一號”超級計算機和“天河三號”原型機系統(tǒng)；

國家超級計算廣州中心：配置了“天河二號”系統(tǒng)；

國家超級計算長沙中心：擁有“天河一號”超級計算機；

國家超級計算深圳中心：配備有曙光“星云”超級計算機；

國家超級計算濟南中心：配備了神威藍光超級計算機；

國家超級計算無錫中心：擁有中國首臺全部采用國產(chǎn)處理器構(gòu)建的“神威·太湖之光”超級計算機；

國家超級計算鄭州中心：配備了新一代高性能計算機“嵩山”超級計算機；

國家超級計算昆山中心：將承接長三角區(qū)域大科學(xué)裝置的先進計算及科學(xué)大數(shù)據(jù)處理服務(wù)；

國家超級計算成都中心：被譽為“西部最強大腦”；

國家超級計算西安中心：應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，從先進制造、芯片設(shè)計等科技前沿，到能源利用、天文物理等國家重大需求，均有涉及。

部分超算中心示例：

資料來源：國家超算、光大證券、行行查

03 超算產(chǎn)業(yè)鏈

超算產(chǎn)業(yè)鏈上游主要包括基礎(chǔ)硬件、應(yīng)用軟件和配套設(shè)施資源；包括芯片、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、存儲、操作系統(tǒng)、管理軟件、制冷設(shè)備和供電設(shè)備等。

中游包括提供算力的超算供應(yīng)商、超算整合中心和研究機構(gòu)等，其中供應(yīng)商市場規(guī)模穩(wěn)步增長。

下游為應(yīng)用層，包括衍生產(chǎn)業(yè)、應(yīng)用與服務(wù)等。

超算產(chǎn)業(yè)鏈圖譜：

資料來源：頭豹研究院

04 超算市場格局

在美國達拉斯舉行的 SC22 會議上，公布了新一期「世界上最快的 500 臺超級計算機」。

Frontier、Fugaku 和 LUMI 計算機位列前三。

其中，F(xiàn)rontier 計算機排名第一。該機型被稱為“世界上第一個每秒浮點運算能力（FLOPS）達到百億級別”的計算機系統(tǒng)。

圖 | 排名第一的 Frontier 計算機（來源：資料圖）

Frontier 是由美國橡樹嶺國家實驗室研發(fā)的超級計算機，其采用 HPE Cray EX235a 架構(gòu)，配備了 AMD EPYC 64C 2GHz 處理器。

中國有兩臺計算機入圍此次榜單中的 TOP10，共有 162 臺計算機入圍 TOP 500 總榜單，數(shù)量穩(wěn)居世界第一。

由中國國家并行計算機工程技術(shù)研究中心（NRCPC）開發(fā)的“神威·太湖之光”計算機系統(tǒng)，安裝在中國江蘇省無錫市的國家超級計算中心，憑借 93Pflop/s 的運算速度排名第 7。

中國國防科技大學(xué)開發(fā)的天河 -2a 系統(tǒng)部署在廣州的國家超級計算機中心，憑借 61.4Pflop/s 的運算速度排名第 10。

“世界最強大超級計算機 TOP 500”前十名：

全球超級計算機制造數(shù)量整體呈增長態(tài)勢，其中，中國和美國斷層式位居世界前列。

我國制造的超級計算機總體數(shù)量已經(jīng)連續(xù)五年市場份額位居全球第一。

從全球超級計算力數(shù)量來看，我國以173臺位居全球第一；美國在算力方面位居全球第一。

全球超算行業(yè)呈現(xiàn)高集中度，2022年6月超算制造量前十的制造廠商分別是：聯(lián)想集團（161臺，32.2%）、美國慧與、浪潮、源訊、中科曙光、戴爾、英偉達、富士通、NEC、華為。

全球超算市場結(jié)構(gòu)包括五個部分，其中服務(wù)器市場占比最大，其次是HPC存儲。

GPU

GPU是圖形處理器的簡稱，它是一種專門用于處理圖形、視頻、游戲等高性能計算的硬件設(shè)備。

在高性能計算服務(wù)器中，芯片成本占比高達51%，按照超算中GPU價值量占比80%計算，全球超算GPU市場約為96億美元。

根據(jù)用途和性能表現(xiàn)，GPU可以分為專業(yè)卡和消費級卡兩類：

其中，專業(yè)卡通常用于工程、科學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的高性能計算和大規(guī)模數(shù)據(jù)處理，主要廠商包括英偉達、AMD等。

隨著英偉達A100、H100等型號產(chǎn)品的發(fā)布，GPU在算力方面的優(yōu)勢相較于其他硬件具有較大優(yōu)勢，GPU的工作也從一開始的圖形處理逐步轉(zhuǎn)化為計算。

GPU數(shù)量和總算力的關(guān)系（GPU為英偉達A100）：

資料來源：英偉達

近年來，榜單上的高性能計算機主要使用英偉達的圖形處理器，該處理器憑借更好的性能在 TOP 500 計算機中占比較大。

但是，根據(jù)最新發(fā)布的榜單顯示，AMD 圖形處理器正逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，取代了英偉達。

TOP500系統(tǒng)中有101個系統(tǒng)采用AMD處理器，例如排名第一的Frontier和排名第三的LUMI。

不同處理器在 TOP 500 計算機中所占比例：

2022年9月，美國針對AI、HPC及數(shù)據(jù)中心研發(fā)所用的高端GPU發(fā)出限制，英偉達的A100和H100以及AMD的MI250芯片暫停向中國客戶銷售。

2022年10月，美國升級禁令限制范圍，對高算力芯片的連接速度和每秒運算次數(shù)等具體參數(shù)做限制，除英偉達和AMD外，國內(nèi)廠商海光信息的部分產(chǎn)品也被加入到限制范圍內(nèi)。

其中，海光DCU屬于GPGPU的一種，在典型應(yīng)用場景下，海光深算一號指標(biāo)達到國際上同類型高端產(chǎn)品的水平。

美國將制裁限制范圍由應(yīng)用場景擴大到芯片和產(chǎn)品層面，也代表著國內(nèi)相關(guān)GPU產(chǎn)品或下游應(yīng)用發(fā)展超過美國政府的預(yù)期。

在海外監(jiān)管趨嚴(yán)的背景下，以海光為代表的國產(chǎn)GPU廠商有望迎來高速發(fā)展期。

長期來看，高速運算相關(guān)的國產(chǎn)廠商有望通過軟硬件技術(shù)提升，加速高速計算芯片的國產(chǎn)化替代。該環(huán)節(jié)國內(nèi)代表廠商包括：海光信息、景嘉微、龍芯中科、芯原股份、天數(shù)智芯、壁仞科技、寒武紀(jì)、燧原科技、沐曦、摩爾線程、芯動科技、深流微等。

國內(nèi)GPU產(chǎn)業(yè)鏈情況：

資料來源：科創(chuàng)板日程

加速器&協(xié)處理器：高算力最強輔助

在TOP500榜單中，總計有179個系統(tǒng)使用了加速器/協(xié)處理器技術(shù)。

這些系統(tǒng)中的84個系統(tǒng)采用NVIDIAVolta芯片，64個系統(tǒng)采用NVIDIA Ampere。

從TOP500看，由GPU和加速器共同組成的異構(gòu)算力是上榜計算機的主流選項，加速器/協(xié)處理器技術(shù)的應(yīng)用越來越普遍。

雖然使用GPU，也可以起到加速的作用，但無法發(fā)揮最大的潛質(zhì)。因此業(yè)界渴望一種硬件可被重新編程來執(zhí)行新類型計算的芯片，這時，F(xiàn)PGA和ASIC便登上了舞臺。

異構(gòu)多元算力是超級計算機在從傳統(tǒng)的高性能計算向HPC與AI并重轉(zhuǎn)變的具體體現(xiàn)。

揭示了當(dāng)今超級計算機的應(yīng)用領(lǐng)域不僅僅是高性能計算，還涵蓋了人工智能以及其他更為廣泛的領(lǐng)域，并且具有研究與商業(yè)兼具的特點。

因此可見，應(yīng)用領(lǐng)域的拓展影響著超級計算機的發(fā)展，二者相輔相成。

FPGA

FPGA和GPU內(nèi)都有大量的計算單元，它們的計算能力都很強。

在進行人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN, RNN, DNN)運算的時候，兩者的速度會比CPU快上數(shù)十倍以上。

FPGA（Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列），是一種硬件可重新編程的半定制芯片。通過在硅片上預(yù)先設(shè)計具有可編程特性的集成電路，用戶可根據(jù)具體需求將芯片編程成算法最期望的顏值。

雖然FPGA比較靈活, 但其設(shè)計資源比GPU受到較大的限制。例如GPU如果想多加幾個核心只要增加芯片面積就行，但FPGA一旦型號選定了邏輯資源上限就確定了。

FPGA雖然在浮點運算速度, 增加芯片面積，及布線的通用性比GPU來得差，卻在延遲性及功耗上對GPU有著顯著優(yōu)勢。

英特爾FPGA技術(shù)路線圖：

資料來源：英特爾官網(wǎng)

市場格局方面來看，海外廠商主導(dǎo)全球FPGA 市場，賽靈思和英特爾形成雙頭壟斷。

國內(nèi)廠商主要包括復(fù)旦微電（高可靠FPGA 技術(shù)領(lǐng)先，率先推出億門級FPGA 和PSoC 芯片，應(yīng)用領(lǐng)域不斷豐富）和紫光國微（國內(nèi)特種集成電路行業(yè)領(lǐng)先者，產(chǎn)品覆蓋500 多個品種，特種領(lǐng)域FPGA 持續(xù)更新）、安路科技（國內(nèi)民用FPGA龍頭）。

國內(nèi)AI芯片以寒武紀(jì)思元系列、華為昇騰系列等為代表，寒武紀(jì)和華為昇騰部分AI芯片產(chǎn)品性能已達到較高水平，有望加速實現(xiàn)國產(chǎn)替代，迎來高速發(fā)展期。

ASIC

ASIC（Application Specific Integrated Circuit，應(yīng)用型專用集成電路），是針對某種特定功能需求，設(shè)計、開發(fā)的專用類型芯片。

這種針對固定算法的專用芯片，可以實現(xiàn)最佳計算能力、最優(yōu)計算效率。

其架構(gòu)和指令集針對人工智能領(lǐng)域中的各類算法和應(yīng)用作了專門優(yōu)化，以使芯片在計算精度降低的情況下更耐用。

隨著算力逐漸增強，ASIC在人工智能訓(xùn)練端的應(yīng)用場景也逐漸增多。

與GPU和FPGA相比，基于某一算法定制的ASIC芯片可以實現(xiàn)體積更小，功耗更低，算力消耗更小。

ASIC每瓦能為機器學(xué)習(xí)提供比所有商用GPU和FPGA更高的量級指令。

由于ASIC開發(fā)周期長，僅有大廠有資金與實力進行研發(fā)。

競爭空間上，傳統(tǒng)的CPU領(lǐng)域有英特爾和高通；GPU領(lǐng)域有英偉達和AMD；FPGA中有賽靈思和Altera（英特爾收購）。

唯有與AI計算最為定制化結(jié)合的ASIC領(lǐng)域尚未有絕對的壟斷性龍頭。

目前市場上主流ASIC有TPU芯片、NPU芯片、VPU芯片以及BPU芯片，它們分別是由谷歌、寒武紀(jì)、英特爾以及地平線設(shè)計生產(chǎn)。

除此之外各大云廠商、互聯(lián)網(wǎng)廠商，如從百度AI業(yè)務(wù)分拆而來的昆侖芯，阿里平頭哥，特斯拉以及比特大陸等也有涉獵。

由ASIC是全定制芯片，在某些特定場景下運行效率最高，故某些場景下游市場空間足夠大時，量產(chǎn)ASIC芯片可以實現(xiàn)豐厚的利潤。

05 超算“中國芯”崛起

1992年，“銀河—Ⅱ”10億次巨型計算機研制成功，1993年10月，在李國杰院士團隊的努力下，中國自主研制出了我國第一臺SMP(對稱式多處理機)結(jié)構(gòu)計算機——曙光一號計算機。

2013年“天河二號”誕生，不僅縮小了與美國的差距，還擠入了全球第一梯隊，登上了超級計算機排行榜榜首，這標(biāo)志著中國的超級計算機技術(shù)已經(jīng)進入了世界一流水平。

天河超算在超算芯片上使用了自主設(shè)計的加速器取代了英特爾的加速器，天河2號使用國產(chǎn)加速器升級之后，性能提升了70%以上。

2015年美國封鎖超算芯片出口，僅過一年，我國自主研發(fā)的超級計算機芯片—“申威”橫空出世。

申威SW26010是中國首個采用國產(chǎn)自研架構(gòu)且性能達到世界一流的計算機芯片。

2016年6月20日，搭載申威SW26010的神威·太湖之光拿下來全球超級計算機第一的位置，并且實現(xiàn)了4連冠，神威·太湖之光更是世界上首臺峰值計算速度超過十億億次的超級計算機，其峰值計算速度達每秒12.54億億次。

神威·太湖之光的出現(xiàn)標(biāo)志著中國在超級計算機領(lǐng)域已經(jīng)可以實現(xiàn)全面自研，除了“神威”系列之外，“天河”系列超級計算機已經(jīng)全面掌握“五大”自主核心技術(shù)，即具有自主知識產(chǎn)權(quán)的四大芯片和自主操作系統(tǒng)。而“曙光”系列目前也已經(jīng)實現(xiàn)了國產(chǎn)替代。

2019年，美國制裁海光集成電路、成都海光微電子技術(shù)、中科曙光、無錫江南計算技術(shù)研究所、天津海光這5家超算企業(yè)。這5家超算企業(yè)在國內(nèi)的研究方向都是偏向超級計算機以及芯片研究方向。

目前國內(nèi)頂級超算已經(jīng)多采用自主設(shè)計研發(fā)的加速器芯片，實現(xiàn)芯片的國產(chǎn)化。

近年來我國還在積極研發(fā)E級超算，實現(xiàn)對美國的絕對領(lǐng)先。

E級超算是指每秒可進行百億億次數(shù)學(xué)運算的超級計算機，是國際上高端信息技術(shù)創(chuàng)新和競爭的制高點，被全世界公認(rèn)為“超級計算機界的下一頂皇冠”。

我國已經(jīng)有三臺E級超算原型機已經(jīng)交付?！疤旌尤朎級原型機系統(tǒng)”實現(xiàn)了四大自主創(chuàng)新，神威E級使用的正是申威研發(fā)的新一代申威26010+眾核處理器，曙光E級也使用的是國產(chǎn)芯片。

“天河三號”原型機采用自主的飛騰處理器、天河高速互聯(lián)通信和麒麟操作系統(tǒng)，實現(xiàn)了芯片的全國產(chǎn)化。

“天河三號”超算原型機：

資料來源：澎湃網(wǎng)

除了國家隊主導(dǎo)的超算之外，民企的算力中心發(fā)展速度也非?？欤绨⒗镌频膹埍背壷撬阒行?，總算力高達12EFlops，一舉超過了9 EFlops的谷歌和1.8 EFlops的特斯拉。

按照計劃，到2025年年底，國家超算互聯(lián)網(wǎng)將可形成技術(shù)先進、模式創(chuàng)新、服務(wù)優(yōu)質(zhì)、生態(tài)完善的總體布局，有效支撐原始科學(xué)創(chuàng)新、重大工程突破，成為支撐數(shù)字中國建設(shè)的“高速路”。

未來超級計算中心與云計算、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合，有望從精密研制、信息安全、和科學(xué)計算領(lǐng)域向生命健康、傳媒娛樂、金融分析及等各領(lǐng)域拓展應(yīng)用，有望迎來高速發(fā)展。

1.ChatGPT：人工智能新興賽道，核心環(huán)節(jié)全梳理

2.機器視覺：AI高成長賽道，產(chǎn)業(yè)鏈全景解析

3.邊緣計算：AI算力新風(fēng)口，核環(huán)節(jié)全梳理

4.MLOps框架全解析

5.人工智能芯片：高算力核心底座

6.AIGC（人工智能生成內(nèi)容）白皮書

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