高性能计算云（HPC Cloud） 服务白皮书 （2022年） 版权声明 本白皮书版权属于超级计算创新联盟与算网融合产业及标准推进委员会，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本白皮书文字或者观点的，应注明“来源：超级计算创新联盟与算网融合产业及标准推进委员会”。违反上述声明者，编者将追究其相关法律责任。 参与编写单位 中国信息通信研究院、北京航空航天大学、国家超级计算济南中心、国际超级计算天津中心、中国科学院计算机网络信息中心、国家超级计算昆山中心、合肥先进计算中心、天翼云科技有限公司、中国电信集团有限公司、联想（北京）信息技术有限公司、北京华恒盛世科技有限公司、联智科技（北京）有限公司、北京并行科技股份有限公司、北京北龙超级云计算有限责任公司、广州市品高软件股份有限公司、深圳北鲲云计算有限公司、上海即算科技有限公司、易超算(北京)科技有限责任公司、中国联合网络通信集团有限公司、江苏奥工信息技术有限公司、戴尔股份有限公司、迈普通信技术股份有限公司、腾讯云计算（北京）有限责任公司、阿里云计算有限公司、河南师范大学、天津滨海人工智能创新中心 主要撰稿人 宋平、穆琙博、宋尧、刘轶、冯景华、田杨、刘弢、毕立波、王哲、柴瑶琳、党小东、张云畅、韩维娜、牛铁、张宏海、王斌、王浩、高清爽、瞿隆、崔恩放、佘蕊、崔吉顺、郝常杰、苏斌、徐达、管清波、付鸿雁、刘爽、乔楠、甄亚楠、郭宇、吴思洪、周婷婷、王真容、凌巍才、张岩、崔煜喆、欧阳柳卿、季宝石、吴跃、张华洪、陈丽莎、陈煜东、邹弘宇、杨广贺、朱松、柴旭清、田倬璟 前 言为同时满足工业、能源、气象、多媒体等众多行业对极致算力与弹性服务的双重需求，以高性能计算为服务核心、以云计算为服务创新技术手段的高性能计算云受到了业界广泛关注。相比于传统高性能计算服务，高性能计算云服务具备弹性算力供给、便捷资源部署、统一融合平台、灵活业务编排等丰富的能力，满足行业应用差异化、定制化服务需求，赋能产业数字化、网络化、智能化转型。 本白皮书以充分发挥高性能计算云的行业赋能作用为目标，从高性能计算云服务发展现状、参考架构、关键能力和未来展望等方面进行全面的分析和探讨，重点推进高性能计算云服务能力升级演进，为高性能计算云服务创新发展提供参考和借鉴。 目 录 一、 高性能计算云发展现状 .................................................................. 1 （一） 算力时代高性能计算云迎来发展黄金期 .......................... 1 （二） 产业各方积极布局，云超算与超算云呈趋同方向发展 .. 3 （三） 高性能计算云服务满足行业算力需求 .............................. 4 二、 高性能计算云服务参考架构 ........................................................ 13 （一） 高性能计算云服务参考架构 ............................................ 13 （二） 资源供给服务层 ................................................................ 15 （三） 平台服务层 ........................................................................ 18 （四） 应用服务层 ........................................................................ 24 （五） 可视化服务 ........................................................................ 26 （六） 安全服务 ............................................................................ 30 （七） 统一服务门户 .................................................................... 32 三、 高性能计算云服务关键能力 ........................................................ 33 （一） 异构计算资源供给 ............................................................ 34 （二） 多类型存储系统支持 ........................................................ 34 （三） 低时延网络传输 ................................................................ 35 （四） 弹性资源调度 .................................................................... 36 （五） 规模化集群管理 ................................................................ 37 （六） 高效作业调度 .................................................................... 37 （七） 灵活应用部署 .................................................................... 38 （八） 多层次安全防护 ................................................................ 39 （九） 可视化能力保障 ................................................................ 40 （十） 极致性能体验 .................................................................... 40 四、 高性能计算云服务发展展望 ........................................................ 42 （一） 算力多样性将成为高性能计算云服务发展的“双刃剑” 42 （二） 一体化服务将成为高性能计算云服务发展的重要趋势 43 （三） 服务标准化将成为高性能计算云服务发展的基本路径 43 缩略语 ....................................................................................................... 45 参考文献 ................................................................................................... 46 图 目 录 图 1 高性能计算云产业视图 .......................................................... 3 图 2 基于高性能计算云的工业仿真平台 ...................................... 6 图 3 基于高性能计算云的生命科学行业解决方案 ...................... 7 图 4 基于高性能计算云的石油勘探解决方案 ............................ 10 图 5 基于高性能计算云的EDA芯片设计 .................................. 12 图 6 高性能计算云服务参考架构 ................................................ 13 图 7 高性能计算云服务十大关键能力 ........................................ 33 高性能计算云服务白皮书 1 一、高性能计算云发展现状 （一）算力时代高性能计算云迎来发展黄金期 在数字化应用需求驱动下，我国正统筹推进算力基础设施建设，助推产业转型升级与科技创新。2021年，国家发改委等四部门联合发布《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》，布局建设全国一体化算力网络国家枢纽节点，构建国家一体化算力服务平台；同年，工信部发布《“十四五”信息通信行业发展规划》，提出建设形成包括超算算力在内的多层次算力设施体系；2023年，中共中央、国务院印发了《数字中国建设整体布局规划》，系统优化算力基础设施布局，促进东西部算力高效互补和协同联动。在国家政策的支持下，2022年我国算力总规模达到180EFlops，居全球第二。 在超算算力方面，中国与美国仍处于领跑地位。根据2023年5月最新发布的TOP500榜单显示[1]，中国共有134台超级计算机上榜，其中前10名中2台，分别是太湖之光和天河二号；美国共有150台超级计算机上榜，其中前10名有5台，分别是Frontier、Summit、Sierra、Perlmutter和Selene。中美两国上榜的超级计算机数量占榜单总数的56.8%。超算算力对促进传统产业转型升级，提高人民生活水平，促进重大科学发现等方面发挥着不可替代的作用，是研究和解决各领域挑战性问题的重要手段。 高性能计算云服务白皮书 2 超算服务能力将成为超算算力向生产力转化的关键。数字化时代，除了海洋、气象、工业、地质勘探等传统超算应用领域之外，越来越多的企业业务场景存在超算算力需求，例如媒体渲染等[2]。超算服务以超算算力资源为基础，向用户和应用提供算力供给、管理、调度、交易等能力，满足各类业务场景下的超算算力需求，发挥超算算力在各场景的赋能作用。传统的超算服务虽然在大规模算力支撑和性能等方面具有优势，但其存在整体架构复杂、稳定性不足、HPC应用部署不够灵活、使用门槛高、日常维护管理难等痛点问题，不利于超算技术在中、小规模算力应用场景下的推广使用以及对行业应用的赋能作用。 为了解决传统超算服务存在的痛点问题，高性能计算云受到了包括传统超算服务提供商、云服务商等在内的产业各方的高度关注。高性能计算云是一种结合云计算技术的高性能计算服务模式，其中高性能计算是服务核心，云计算是服务模式创新的技术手段，多云互联是服务能力的扩展支撑。在此基础上，高性能计算云将与大数据、人工智能等技术深度融合，面向行业应用需求，提供一体化智算服务能力，实现高性能计算云能力拓展。 高性能计算云将助力企业更加快速地开展数字产品开发、创新技术验证、数据价值挖掘，具有巨大的市场潜力。2022年，Gartner将高性能计算云纳入到云计算成熟度曲线中，目前高性能计算云处于技术萌芽期。根据Hyperion Research 2022年高性能计算市场报告显示， 高性能计算云服务白皮书 3 全球高性能计算市场增长最快的是高性能计算云市场，增长率超过23%，2021年市场规模达62亿美元。预计到2027年，高性能计算云的收入有望超过110亿美元。 （二）产业各方积极布局，云超算与超算云呈趋同方向发展 根据提供服务的主体与服务形态，高性能计算云可以分为超算云、云超算和多云互联三类。其中，超算云以超算资源为底座，通过云计算的服务模式为用户提供高性能计算服务；云超算以通用云资源作为底座，为不同租户提供高性能计算服务；多云互联在不同高性能计算