高性能计算云（HPCCloud）白皮书（2021）

高性能计算云发展现状

• 发展背景：随着数字化、网络化、智能化的发展，强大的算力成为驱动技术创新和行业高质量发展的核心引擎。高性能计算作为解决国家重大挑战性问题的重要手段，其云化服务模式——高性能计算云（HPC Cloud）受到广泛关注。
• 基本概念与分类：HPC Cloud是一种结合云计算技术的高性能计算服务模式，分为超算云、云超算和多云互联三类。
  • 超算云：以超算中心资源为底座，通过云计算技术为用户提供高性能计算服务。
  • 云超算：以通用云平台为基础，为不同租户提供高性能计算服务。
  • 多云互联：在不同高性能计算云之间，实现资源、数据、应用、服务等不同维度的云间协同与统一管理。
• 产业现状：
  • 全球市场：预计到2024年，HPC Cloud市场规模将达到88亿美元，年复合增长率达17.6%。
  • 应用上云：垂直领域HPC应用上云将成为主流，生物和制造领域占比最大，多媒体、电子、地理、国防、科研、天气等领域增长迅速。
  • 技术融合：人工智能等ICT创新技术融合成为HPC Cloud发展新趋势，云服务商和HPC服务提供商积极将云原生、AI、大数据等技术引入HPC Cloud。
• 核心价值：HPC Cloud将成为数字变革的算力赋能底座，满足千行百业数字转型对高性能算力的差异化、定制化需求。超算云和云超算将与大数据、人工智能等技术深度融合，进一步提升行业应用的深度与广度。

高性能计算云参考架构

• 参考架构：提出了融合超算云、云超算、多云互联核心能力的综合性架构，包含基础设施层、平台层、服务层、运维管理平台、安全防护和多云互联。
• 基础设施层：提供计算、存储和网络资源，支持资源虚拟化，提供裸金属、虚拟机、容器等多种粒度的计算资源。
• 平台层：包含大数据平台、人工智能平台、科学和工程计算平台和统一业务编排，向下对高性能算力资源解耦，向上提供部署运行高性能应用的相关平台环境。
• 服务层：面向行业用户提供统一的高性能计算云服务平台，满足行业应用差异化、定制化服务需求，提供数字化运营服务平台和HPC Cloud服务生态订阅平台。
• 运维管理平台：提供资源与业务监控、告警日志、运维管理、运维可视化、运维门户等功能，保障平台和业务的持续、可靠运行。
• 安全防护：从IaaS安全、PaaS安全、SaaS安全、接口安全、数据安全等不同层次保护HPC Cloud系统安全。
• 多云互联：通过高速网络实现各HPC公有云、HPC私有云、HPC边缘云之间的计算资源、存储资源、网络资源和软件资源等高性能计算资源的互联互通与资源共享。
  • 云间高速互联网络：构建具有高速率、高带宽、高冗余等特性的跨域高速互联网络，实现多云之间的协同与管理。
  • 多云协同：从资源、数据、应用、服务四个维度进行紧密协同，并在中心云的统一管理下，实现多个高性能计算云节点之间协同。
  • 多云管理：对云资源管理及计费、系统运行状态，以及任务执行过程的可视化监控，并提供丰富的告警机制帮助客户进行快速处理。

高性能计算云应用场景与典型案例

• 能源勘探：基于超算云的地震数据处理解释一体化系统，实现复杂地质条件下上千平方公里数据的逆时偏移处理。
• 工业仿真：钢铁制造业高性能计算方案、基于超算云的流体力学软件、基于云超算的CAE仿真等。
• 多媒体：基于云超算的多媒体渲染方案，为建筑设计、VR/AR、互动游戏、影视动漫、工业设计等多领域三维内容制作提供云端渲染服务。
• 生命科学：基于云超算的分子对接方案、高性能生物云计算方案等。
• 气象环保：基于超算云的空气质量调控方案、基于超算云的全球高分辨率海洋环境数值预报系统、基于图像的强对流天气推演、自动化网格与分层时间步长技术等。
• 材料研发：云化材料基因高性能计算解决方案等。

高性能计算云趋势展望

• 计算业务上云加速：随着“新基建”的推进和行业数字化转型，计算业务上云将成为众多企业的首选，超算与云计算技术将深度融合，云化基础设施成为超算与新兴技术的融合创新平台。
• 构建一体化安全防护体系：通过为HPC Cloud体系中所有实体构建数字身份，建立身份驱动的云网一体化的访问控制和安全检测架构，建立覆盖云、网、边、端的，云原生的高性能计算云一体化安全防护体系。
• 计算应用软件服务化：计算应用软件服务化可以实现计算软件与计算环境的松耦合，具有容器化、可视化编程、代码提交即部署、弹性伸缩等功能特征，将打破以前按拷贝销售的计算软件分发模式，对降低计算软件使用门槛、实现普惠计算、保护知识产权都有积极意义。
• 绿色节能：以“双碳”为目标，从政策引导、技术创新、标准推进、产业协同等不同维度，体系化推进高性能计算云产业绿色节能发展，降低碳排放，提高高性能计算云的系统能效，将成为高性能计算云产业高质量发展的“主旋律”。