2.2 基础技术

2.2.1 高性能计算平稳发展

超级计算机（简称“超算”）属于战略性高新技术领域，被称为“国之重器”。中国高度重视并支持超级计算系统的研发。一年来，“十三五”期间高性能计算重点专项的相关课题逐步结题，在E级超算原型机、特色应用研发等方面，取得了关键技术设想验证及若干关键技术难点突破的一系列成果，向世界先进水平又迈出了坚实的一步。

1.超算数量保持优势

在国际超级计算机性能评测组织“TOP 500”公布的最新一期（2020年6月）全球超级计算机500强榜单中，中国超算的上榜数量为226台，在总体性能方面，中国以565 Petaflops继续居第二位。目前中国第一、世界第四的超算“神威·太湖之光”，浮点运算性能为9.3亿亿次，自主研发的处理器是其最大亮点。但是，中国超算在软件应用生态的成熟度上与世界先进水平相比，仍有较大差距。

在Green 500排行榜上，中国大陆和港澳台地区的超级计算机系统总数为229台。其中，中科曙光研制的E级超算原型机排名最前，排第14名。它采用了曙光TC8600服务器，装配32核海光中央处理器（CPU）、深度计算处理器（Deep Computing Processor）、200Gb 6D-Torus的内部高速互联网络。该系统的能效为11.38 GFlops/Watt，达到了国际先进水平。

2.超算技术发展迅猛，为特色应用添彩

在E级超算方面，中科曙光、神威、天河三家公司齐头并进。中科曙光的E级超算原型机采用了自主研发的X86架构处理器和加速器的异构众核体系架构，克服了采用X86处理器与国产加速器达到较高性能所存在的技术难点。神威E级超算原型机的硬件、软件及应用系统中的处理器、网络芯片组、存储和管理系统全部实现国产化。而“天河三号”E级超算原型机则采用了自主可控的飞腾处理器、天河高速互联通信和麒麟操作系统，实现全部芯片国产化。到目前为止，以上3个E级超算原型机系统全部完成交付并分别部署于国家超算深圳中心和上海超级计算中心、国家超算天津中心、国家超算济南中心。E级超算原型机系统的研制成功，实现了关键技术设想验证及若干关键技术难点的突破和优化改进，为中国下一代超级计算机的顺利研制打下了坚实的基础。

在低功耗超算方面，中科曙光发布了新一代“硅立方”高性能计算机。它是全球首款采用浸没式液体相变冷却技术的刀片式服务器超算系统，深浸在恒压液体中的中央处理器、加速器及主板等部件均可正常通电运行。“硅立方”的冷却技术使系统性能提升了5%以上，而电能使用效率（PUE）可降至1.04以下。换言之，这相当于用40W的功率即可冷却1000W计算设备，相较于传统风冷系统需要的500～1000W降低了一个数量级。

在特色应用方面，中国科学院针对合金微组织演化相场，成功研发出合金微组织演化大模拟并行软件ScETD-PF。该软件是基于可扩展紧致指数时间差分算法库的相场模拟软件，实现了世界最大规模的合金微组织粗化过程的相场模拟，有助于加快中国新型合金的设计和加工工艺的优化。中国科学院的研究团队应用ScETD-PF软件所运行的合金微组织粗化过程的相场模拟，规模较以往提高近百倍，实现了超过千万核的扩展性能，相场模拟实际性能达到峰值的40%，远高于普通软件约5%的水平。

3.多地超级计算中心建设方兴未艾

目前，昆山市、郑州市、成都市正在或筹备建设超级计算中心，如表2-1所示。

2.2.2 芯片技术多样化发展进步明显

芯片尤其是高端计算芯片、存储芯片、通信芯片，是支撑信息社会的核心硬件。随着中国新基建重大措施的推进，芯片发展迎来新机遇，国内相关企业、研究机构通过自主创新不断提升产品性能，芯片的设计、制造、封测等环节同步保持发展。

1.计算芯片起步虽晚，但发展迅速

国内计算芯片起步较晚，近年来发展速度有所加快。根据世界半导体贸易统计组织（WSTS）统计的数据，2019年，中国CPU市场规模为111.4亿美元，同比增长25.6%。国内CPU芯片目前形成以X86、ARM、MIPS、RISC-V、Alpha等多种架构为代表的系列化处理器产品格局，在特殊应用集成电路（ASIC）专用芯片等部分领域具有一定竞争力。国内海光、龙芯、兆芯、华为海思、申威、中晟宏芯等企业积极推进计算芯片的研发，相关产品开始批量应用于服务器市场和移动端市场。在服务器CPU领域，飞腾于2019年9月发布新四核处理器FT-2000/4。在桌面（Desktop）计算机CPU领域，兆芯于2019年6月发布KX-6000系列国产X86处理器；龙芯于2019年12月发布基于MIPS架构的通用CPU产品3A4000/3B4000。在嵌入式CPU领域，阿里巴巴旗下的平头哥半导体有限公司于2019年8月发布了基于RISC-V架构的玄铁910处理器。

2.存储芯片研发突破不断，总体发展势头良好

中国存储器产业进展迅速，逐渐从技术突破阶段向产能提升阶段跃迁，长江存储、合肥长鑫、紫光集团、兆易创新等一批行业领军企业积极推进存储技术攻关。在DRAM方面，合肥长鑫的DRAM存储器取得突破，DDR4（19nm，8Gb）正式量产，截至2019年底，月产能已达万片，并在17nm级产品研发方面取得重大进展。在NAND Flash方面，长江存储在Xtacking技术方面的研发进展顺利，在2019年第三季度开始量产64层3D NAND Flash，在2020年4月成功研发128层3D NAND Flash。中国存储芯片总体发展势头良好，但形成大规模产业还需持续创新突破。

3.通信芯片助力5G商用

在基带芯片方面，中国已有海思巴龙5G01芯片、展锐春藤510芯片等支持5G通信协议的国产芯片问世，支持5G正式商用。在射频芯片方面，国内主要由无生产线设计公司（Fabless）通过设计、代工、封装环节的协同，形成“软IDM”的运营模式。目前主要的芯片设计公司有紫光展锐、唯捷创芯、中普微、中兴通讯、中科汉天下等。国内射频芯片与国际水平相比，还存在较大差距，在芯片设计、研发、生产等方面任重道远。

4.芯片工艺发展机遇与挑战并存

2019年，中国集成电路制造业技术稳步发展，12英寸生产线工艺制程覆盖65～14nm，8英寸生产线工艺制程覆盖0.25μm～90nm，6英寸生产线工艺制程覆盖1.0～0.35μm，均已实现规模化生产。目前，中国集成电路制造技术与以三星、英特尔等为代表的国际先进水平相比，仍存在一定的差距，在先进逻辑工艺方面，存在2～3代技术差距，但中芯国际、华力微等国内行业龙头企业正在努力缩小这一差距。中芯国际于2019年第四季度量产14nm工艺芯片，并在2020年内扩大产能。华力微在28nm的28LPC、28HK、28HKC+等多种工艺平台实现量产，22nm工艺研发快速推进，14nm工艺研发取得一定进展，工艺全线贯通。

2.2.3 软件技术各领域取得积极进展

从整个软件技术体系发展情况来看，操作系统、编程语言与编译器、工业软件已经成为网络信息产业和先进制造业发展的关键支撑。

1.操作系统行业整合趋势显著

当前，国外操作系统在中国市场仍然占据主导地位，国产操作系统在一些专用领域已形成一定规模的使用，移动端操作系统也开始自主研发，并取得积极进展。新兴物联网领域已有多套解决方案，并有多个项目落地。国产操作系统的产业生态尚未形成，仍需继续深耕。

（1）服务器操作系统/云操作系统形成一定竞争力。2019年12月，华为正式开放欧拉操作系统源码，并联合国内优势力量建设openEuler开源社区。2020年3月，麒麟、普华、统信、中国科学院软件研究所推出了基于openEuler的国产操作系统发行版。2019年12月，中国电子信息产业集团将中标麒麟与银河麒麟正式整合并着力开发统一操作系统，构建了飞腾处理器与麒麟操作系统协同的技术体系。随着鲲鹏、飞腾等国产服务器处理器的性能提升和市场份额的扩大，国内服务器操作系统有了更好的适配对象，形成一定的竞争力。

（2）桌面端/终端操作系统开发稳中有进。华为公司于2019年8月发布基于微内核的鸿蒙操作系统（HarmonyOS）。统信公司于2020年5月发布其UOS产品体系，其中前身为深度操作系统（Deepin Linux）的桌面操作系统个人体验版因其良好的交互界面受市场关注。

2.编程语言与编译器工具链渐受重视

在领域专用编程语言（DSL）方面，2019年12月寒武纪公司推出了包括BANG编程语言在内的一套高效软件栈工具和高性能库，方便开发者在寒武纪云、边、端平台上开发和部署。国内一些知名硬件厂商，如阿里中天微、中科龙芯等，也在积极研发基于GCC、LLVM的编译器后端，以发挥自身硬件优势。

3.工业软件亟须补短板

国内工业软件整体发展较晚，但在部分细分领域已经开发了具有一定竞争力的产品，如地理信息基础软件领域的超图软件、石油勘探领域的一体化网络测井软件CIFLog等。在计算机辅助设计软件领域，中望软件、浩辰、重庆励颐拓软件等公司正积极开展相关软件研发，并在一些重要行业得到应用。而随着贸易摩擦和部分国家出口管制日益加剧，一直依赖国外工业软件的行业和实体面临“断供”威胁。例如，华为公司在芯片中设计的EDA产品被禁用，哈尔滨工业大学因被列入美国的实体清单而导致MATLAB软件的相关授权被迫终止。因此，工业软件国产化迫在眉睫。