超算行业专题研究：盘点我国在超算领域进展与机遇.pdf

本报告版权属于中原证券股份有限公司 ccnew 请阅读最后一页各项声明 第 1 页 / 共 19 页 计算机 分析师 :唐月 执业证书编号： S0730512030001 tangyueccnew 021-50588666-8020 盘点 我国在 超算 领域 进展与机遇 超算 行业专题研究 证券研究报告 -行业专题研究 同步大市 （ 首次 ） 计算机 相对沪深 300 指数表现 相关报告 1 网络安全行业半年度策略 :等保 2.0 落地，网络安全行业开启新征程 2019-06-20 2 计算机行业月报 :上涨不易，且行且珍惜 2019-02-19 3 计算机行业专题研究 :商誉减值规模大增，严重侵蚀行业利润 2019-01-31 联系人： 李琳琳 电话： 021-50588666-8045 传真： 021-50587779 地址： 上海浦东新区世纪大道 1600 号 18楼 邮编： 200122 发布日期： 2019 年 07 月 31 日 投资要点 : 超算是各国竞相角逐的科技制高点，也是国家综合科技实力的体现。正因为超算的重要性，美国对超级计算机的出口一直十分谨慎，也因此加强了我国政府发展超算的决心。 近二三十年来，我国超算产业已经取得了长足的进步。 在运算速度方面，多年占据 TOP500 榜首，虽然近期 Summit 再次夺冠，但是按照各国 E 级超算的研发进度，我国有望在 2020 年重回世界之巅。同时，随着神威太湖之光的问世和天河 2 号的升级完成，我国已完成芯片国产化的突破，但在芯片性能和生态上与美国仍有明显的差距。 在 TOP500 的榜单背后，我国超算的应用和能耗问题成为当前业界更为关心的问题。 2016 年以来中国凭借神威太湖之光上承载的应用，多次问鼎了戈登贝尔奖，标志着我国在超算的应用软件研制水平和应用水平已得到了显著提升。同时，高速成长的 AI 对计算力的需求逐步 凸显，有望让超算焕发新的活力。而在能耗方面，以曙光为代表的企业已经在液冷技术方面取得了较大的突破，但是在 E 级超算的设备能耗方面，仍有待在半导体工艺上取得进一步的突破。 乐观看待 2019 年 6 月 的 出口管制。 在中美贸易摩擦日益频繁的国际大环境下，短期来看出口禁令对企业的冲击难以避免。但是长期来看，中国在超算领域技术能力和投入的决心已经一次次获得了历史的验证。随着不稳定因素的凸显，国内加强产业自主化的决心也 愈加 坚定，对于扶持脆弱的产业生态来说是一次难得的机遇。 建议重点关注 2020年 E级超算的推出和 AI与超算的结合 给行业带来的投资机会。 风险提示： 美国实体清单范围进一步扩大；国内主机生态系统建设进度低于预期 。 -23%-16%-9%-2%5%12%19%26%2018-07 2018-11 2019-03计算机 沪深 300 计算机 本报告版权属于中原证券股份有限公司 ccnew 请阅读最后一页各项声明 第 2 页 / 共 19 页 内容目录 1. 近二三十年来中国在超算领域取得了长足的进步 . 3 2. 美国实体清单再次指向中国超算领域 . 4 3. 运算速度：中国有望在 2020 年重回世界之巅 . 6 3.1. 年中超算 TOP500 公布，继续呈现中美竞争格局 . 6 3.2. 中国超算厂商占据了 TOP500 榜单 6 成以上市场份额 . 8 3.3. 中美日将开启在 E 级超算的角逐，中国有望率先研制成功 . 9 4. 国 产化：已完成国产芯片突破，但芯片性能和生态差距仍然明显 . 10 4.1. 4 大国产化超算的芯片路线 . 10 4.2. 在英特尔、英伟达垄断格局下，国产化亟待进行生态上的突破 . 13 5. 应用：人工智能应用或将带来新机遇 . 14 5.1. 近年来，中国超算在应用方面也取得了重要突破 . 14 5.2. 人工智能时代，超算正焕发新活力 . 14 6. 能耗： E 级超算在功耗上仍然面临巨大的挑战 . 15 6.1. E 级超算的设备能耗问题仍然亟待解决 . 15 6.2. 曙光的液冷 技术在降低 PUE 值方面取得了较大突破 . 16 7. 行业投资策略 . 17 8. 风险提示 . 18 图表目录 图 1：近 10 年 TOP500 榜首及其算力（ TFlop/s） . 5 图 2： 2015H-2019H 中美两国超算入围榜单的计算机数量 . 6 图 3： ISC19 全球 TOP500 榜单前 4 名情况 . 7 图 4：全球 TOP500 中各国超算数量占比 . 7 图 5：全球 TOP500 榜单各国计算力占比 . 8 图 6： 2018 年中国 TOP100 榜单入榜厂商分布 . 8 图 7： 2019H 全 球超算厂商入围 TOP500 榜单的计算机数量 . 9 图 8： 2019H 全球超算厂商入围 TOP500 榜单的计算机整体性能 . 9 图 9： ISC19 全球 Green500 榜单情况 . 16 图 10：曙光使用浸没式液体相变冷却技术的硅立方 . 17 表 1：超级计算机与通用服务器主要区别 . 3 表 2：中国超算发展史 . 3 表 3：进入美国实体清单的相关超算企业 . 4 表 4： 3 大 E 级原型机基本情况 . 10 表 5：申威处理器芯片技术路线 . 11 表 6：飞腾芯片技术路线 . 12 表 7：中国入围戈登贝尔奖的应用名单 . 14 表 8： 2018 年戈登贝尔奖入围名单 . 15 表 9：超算产业链的主要上市公司及相关情况 . 18 计算机 本报告版权属于中原证券股份有限公司 ccnew 请阅读最后一页各项声明 第 3 页 / 共 19 页 1. 近二三十年 来中国在超算领域取得了长足的进步 超级计算机是各国竞相角逐的科技制高点，也是国家综合科技实力的体现。 超级计算机主要用途包括模拟核试验、处理卫星图片、解密码等，应用领域已经覆盖了 互联网大数据、工程计算、工业仿真、气象海洋、生命科学、石油物探等 。由于很多情况不能实测，只能模拟，超级计算机在飞行器设计等领域更是起到至关重要的作用。 表 1： 超级计算机与通用服务器主要区别 超级计算机 通用服务器 用途 专用性 ：主要提供国家高科技领域和尖端技术研究所需的运算速度和存储容量 通用性 ：面向所有需要信息技术的场景 架构 并行计算 ：针对密集型任务进行任务分解，以获得更高的计算性能 分布式 ： 统筹分散的硬件、软件和数据资源，通过软件实现资源共享和业务协同 成本 用高成本追求高计算性能 通过云计算实现规模经济 ， 讲究成本效益 资料来源：中原证券 正因为超级计算机的重要性，美国对超级计算机的出口一直十分谨慎。 上世纪 80 年代，中国石油工业部物探局重金购买了一台 IBM 大型机。美方要求机器要放在玻璃房子里，方便美方 24 小时监控，不得随便入内。监控日志要定期交美国审查，计算机启动密码和机房钥匙也要由美方控制。 “玻璃房子”事件给了我们深刻的教训，但正是在这样的刺激下政府 加大了发展超算的决心 ，我国在超级计算机领域进步迅猛。 1983 年 12 月“银河”问世，成为了我国第一台算力在每秒 1 亿次以上的计算机； 1993 年曙光一号研制成功，实现了从向量型计算机向 并行型计算机的突破； 2009 年 10 月，我国首台千万亿次超级计算机“天河一号”宣布研制成功， 2010年升级以后的天河 1A 成为了全球最快的超级计算机； 2013 年 6 月，天河 2 号夺冠 TOP500榜单，并持续 6 届占据榜首； 2016 年 6 月，使用我国自主芯片的神威太湖之光刷新超算算力榜单，作为 全球第一台运行速度超过 10 亿亿次 /秒的超级计算机， 接过了天河 2 号手中的桂冠。 按照国际常规， 20 年 超级计算机 计算速度提高 100 万倍，而我们提高了 5000 多万倍 。 表 2：中国超算发展史 时间 主机 理论 性能 TFlop/s 实测 性能 TFlop/s 研制单位 简介 1983 银河 I 国防科技大 我国第一台算力在每秒 1亿次以上的计算机 1993 曙光一号 国家智能计算机研究院开发中心 我国第一台 SMP(对称式多处理机 )结构计算机， 863计划的重大科研成果， 在其诞生后三天，美国宣布解除 10亿次计算机对中国的禁运 1995 曙光 1000 0.002,5 国家智能计算机研究院开发中心 达到了 20世纪 90年代前期的国际先进水平 1998 曙光 2000 中科曙光 达到了 90年代同期国际先进水平，有些方面如计算机 本报告版权属于中原证券股份有限公司 ccnew 请阅读最后一页各项声明 第 4 页 / 共 19 页 机群操作系统、集成化并行编程环境和服务器聚集软件等已处于国际领先水平 2004 曙光 4000A 11.264 8.061 中科曙光 国内首台每秒运算超过 10万亿次的超级计算机，并代表中国首次进入全球超级计算机 TOP 500排行榜，位列第十位 使用了 AMD皓龙处理器 2008 曙光 5000 230 180.6 中科曙光 使中国成为继美国之后第二个能制造和应用超百万亿次商用高性能计算机的国家 使用了 AMD皓龙处理器 2009 天河 1 号 1,206 563.1 国防科大 第一台国产千万亿次超级计算机，使中国成为继美国之后世界上第二个能够自主研制千万亿次超级计算机的国家 2010 曙光 6000 2,984.3 1,271 中科曙光 我国首台过千万亿次的超级计算机系统 ， 2010年第 35届全球超级计算机 500强排名中名列第二 2010 天河 1 A 4,700 2,507 国防科大 天河 1号的升级产品，成为当时世界上最快的超级计算机 2012 神威蓝光 1,100 738 国家并行计算机工程技术研究中心 首次实现了超算 CPU和操作系统的全部国产化（ 8704片申威 1600，搭载神威睿思操作系统） 2013 天河 2 号 54,902.4 33,862.7 国防科大 六度蝉联 TOP500排行榜首位 2016 神威太湖之光 125,435.9 93,014.6 国家并行计算机工程技术研究中心 实现了 CPU、操作系统、高速互联网络等核心软硬件的全面国产化（ CPU 申威 26010 由 260个核心构成） 2017 天河 2A 100,678.7 61,444.5 国防科大 使用国产加速器 Matrix 2000 取代原本的英特尔 Xeon Phi 加速器 进行升级，性能几乎翻番 资料来源： TOP500， 中原证券 2. 美国实体清单再次指向中国超算领域 在 2019 年 6 月 TOP500 颁布后，美国紧接着于 6 月 21 日将 5 家中国实体列入了出口管制实体清单，涉及到中科曙光、海光、海光旗下两家公司（成都海光集成电路、成都海光微电子）及江南计算技术研究所。此次被列入实体清单的中国企业，主要业务都与超级计算机有关。 表 3： 进入美国实体清单的相关超算企业 单位 时间 背景 国家超级计算长沙中心 2015.4.9 天河一号部署单位 国家超级计算广州中心 2015.4.9 天河二号 A部署单位 国家超级计算天津中心 2015.4.9 天河一号 A部署单位 国防科技大学 （ NUDT） 2015.4.9 天河系列超算研制单位 计算机 本报告版权属于中原证券股份有限公司 ccnew 请阅读最后一页各项声明 第 5 页 / 共 19 页 无锡江南计算技术研究所 2019.6.18 申威芯片研制单位 中科曙光 2019.6.18 曙光 E级原型机研制单位 海光 2019.6.18 海光 Dhyana芯片研制单位 成都海光集成电路公司 2019.6.18 海光 Dhyana芯片研制单位 成都海光微电子技术公司 2019.6.18 海光 Dhyana芯片研制单位 资料来源：中原证券 然而这不是美国第一次向超算领域开展出口管制。 早在 2015 年 4 月 9 日，美国商务部决定禁止向中国 4 家 机构（ 国家超级计算长沙中心、国家超级计算广州中心、国家超级计算天津中心和国防科技大学 ） 出售 intel 的至强处理器和至强 Phi 加速器。 而当时天河 2 号已经连续 4次登顶 TOP500 榜首，并计划使用 Intel 芯片进行系统升级，将计算力从 55PFlop/s 升级到100PFlop/s，因而美国在当时对天河 2 号的研制单位和天河系统落地数据中心发出了禁令。 图 1： 近 10 年 TOP500 榜首及其算力（ TFlop/s） 资料来源： TOP500，中原证券 2019 年的禁运的原因我们认为可以概括为几个方面：（ 1）在最新的 TOP500 排名中，中国入榜超算数量继续呈现绝对领先优势；（ 2）中国 3 大机构的 E 级原型机已经问世，有望在2020 年完成 E 级超算的研发，再次超越美国；（ 3）中国本次推出的 E 级超算原型机中芯片已经实现全面国产化； （ 4） 曙光获得的 AMD 的 Zen 架构授权并已经实现量产，同时其先进的全浸没液冷技术也极可能用于正在研发的 E 级超算中； （ 5）中美贸易摩擦的 背景下，美国对中国在科技领域的领先和超越的趋势越发敏感，意图全方面 阻碍 这一进程 。 计算机 本报告版权属于中原证券股份有限公司 ccnew 请阅读最后一页各项声明 第 6 页 / 共 19 页 图 2： 2015H-2019H 中美两国超算入围 榜单 的计算机 数量 资料来源： TOP500，中原证券 2015 年的 美国 禁令全面推动了中国超算的国产化进程。 2016 年 神威太湖之光采用自主研发的 SW26010 众核芯片登顶 TOP500； 2017 年天河 2 号 使用国产的 Matrix-2000 加速卡替换Intel 至强 Phi 完成了升级 ； 2018 年 天河 3 号 E 级超算原型机问世 ， 从 CPU（飞腾），到加速器芯片（ Matrix2000plus），到互联接口芯片 、 路由芯片全都采用国产货 ， 新型的计算处理、高速互连、并行存储、服务处理、监控诊断、基础架构等硬件分系统全都是国产原创设计 ， 系统操作、并行开发、应用支撑和综合管理等软件分系统全面国产可控。 因为失去了中国市场， intel 至强 Phi 加速器在 2017 年 8 月停产退市。 乐观看待 2019 年的出口管制 。 此次禁令出台后，我们预计对于全面推行自主体系的江南计算技术研究所 不会有实质性影响。但考虑到海光、中科曙光和 AMD 的关系的特殊性，以及Intel 芯片在超算商业化领域的绝对优势， 中短期对曙光及海光的影响仍有 较 大的不确定性 。但长 期来看， 中国在超算领域技术能力和投入的决心已经一次次获得了历史的验证，本次 出口管制必然会进一步 促进 我国超算国产化向商业化应用领域的进一步蔓延。 3. 运算速度 ： 中国有望在 2020 年重回世界之巅 3.1. 年中超算 TOP500 公布，继续呈现中美竞争格局 2019 年 6 月 17 日， 第 53 届 全球 超算 TOP500 名单在于德国法兰克福举办的“国际超算大会”（ ISC）上发布。 自 1993 年起，每半年全球高性能计算领域会召开一次盛会 6 月 国际超算大会（ ISC） 和 11 月的全球超算大会（ SC） ，期间会发布超算 TOP500 榜单、戈登贝尔奖、 Green500 等奖项，是全球超算领域的焦点。 全球最快的超级计算机仍然被美国占据。 部署在美国能源部旗下橡树岭国家实验室的Summit 及利弗莫尔实验室的 Sierra 占据榜单前两位，中国的“神威太湖之光”和“天河二号 A” 位列第三、第四 。 从超算芯片角度来看， Summit 和 Sierra 都使用的是 IBM POWER9计算机 本报告版权属于中原证券股份有限公司 ccnew 请阅读最后一页各项声明 第 7 页 / 共 19 页 系列，神威太湖之光使用的是我国自主的申威 CPU，而天河二号 A 仍然采用的是 Intel 至强系列。 图 3： ISC19 全球 TOP500 榜单前 4 名情况 资料来源： TOP500，中原证券 从今年的获奖 数量 情况来看，中国进一步夯实了相对美国的领先地位。 在算力前 500 名单中，中国占 219 台，美国占 116 台。自 2017 年底，中国超越美国以后，目前在 TOP500 榜单中占比数量约达到美国两倍，领先优势明显。 图 4： 全球 TOP500 中各国超算数量占比 资料来源： TOP500， 中原证券 从计算力的角度来看，美国仍然遥居榜首。 在 TOP500 的榜单中， 美国占据 38.4%的计算性能，中国占据 29.9%的份额，仍较美国有较大差距。 但是这一短暂的优势有望随着 2020 年计算机 本报告版权属于中原证券股份有限公司 ccnew 请阅读最后一页各项声明 第 8 页 / 共 19 页 中国 E 级超算的问世而发生逆转。 图 5： 全球 TOP500 榜单各国计算力占比 资料来源： TOP500，中原证券 3.2. 中国超算厂商占据了 TOP500 榜单 6 成以上市场份额 从 2018 年我国超算 TOP100 榜单来看，联想和曙光分别占 40 台，并列第一，之后分别是浪潮 12 台、国防科大 4 台、华为 2 台、国家并行机工程中心 2 台，已经完成全面的国产化。 图 6： 2018 年中国 TOP100 榜单入榜厂商分布 资料来源： TOP100，中原证券 在全球前 500 的超算当中，中国厂商已经占据了数量上的绝对优势。 三大服务器品牌联想、浪潮、曙光分别贡献了 173 台、 71 台、 63 台，总计 307 台，远超中国 219 台的市场占比，出口份额进一步增大，占据了全球 6 成以上的市场份额。 计算机 本报告版权属于中原证券股份有限公司 ccnew 请阅读最后一页各项声明 第 9 页 / 共 19 页 图 7： 2019H 全球超算厂商入围 TOP500 榜单的计算机数量 资料来源： TOP500，中原证券 通过 TOP500 厂商 性能和数量的对比 ，我们可以看出厂商市场定位状况。其中 IBM 以 12台服务器占据了 13.3%的总体性能，而三大 国产 厂商中单台性能从高到低分别为联想、曙光、浪潮，都低于 TOP500 的平均水平。 图 8： 2019H 全球超算厂商入围 TOP500 榜单的计算机整体性能 资料来源： TOP500，中原证券 3.3. 中美日将开启在 E 级超算的角逐，中国有望率先研制成功 作为 国家“十三五”高性能计算 的 专项课题，中科曙光、国防科大和江南计算技术研究所同时获批进行 了 E 级超算的原型机系统研制项目。 2016 年至 2018 年是中国 E 级超算规划中的第一步 原型机研发。 原型系统是主要验证核心关键技术的可行性，包括 CPU、互连通信、存储架构、能效比等，并不追求峰值 。 这一阶段完成后，三家的 E 级超算将进行 PK，通过“赛马机制”确定其中两家并制造出两台真正的 E 级超算。 截止 2018 年 10 月， 3 家机构的 E 级原型机都已经完成交付，同时在 2018 年中国高性能计算机 TOP100 排行榜中位列前十。同时 3 大 E 级原型机使用的都是国产处理器，已经在国产化方面取得了长足的进步。 计算机 本报告版权属于中原证券股份有限公司 ccnew 请阅读最后一页各项声明 第 10 页 / 共 19 页 表 4： 3 大 E 级原型机基本情况 主机 研制单位 落户地 交付时间 TOP100 排名 实测性能 /理论性能（ TFlop/s） 配置 神威 E 级原型机 国家并行计算机工程技术研究中心 国家 超级计算济南中心 2018.8 第四 2,556 3,130 处理器： 申威 26010+ 操作系统：申威睿智 处理器、网络芯片组、存储和管理系统等核心器件全部为国产化 天河三号 E 级原型机 国防科大 国家超级计算 天津 中心 2018.7 第六 2,469 3,146 处理器： 飞腾 加速器： 迈创 Matrix 2000+ 操作系统：麒麟 高速互联通信：天河 曙光 E 级超算原型机 中科曙光 国家超算上海中心和国家超算深圳中心 2018.10 第九 2,274 3,198 处理器 ： 海光 X86 架构 加速器 ： 海光 DCU 加速器 6D-Torus 交换系统 全浸式相变冷却技术 超融合自适应集群操作系统 资料来源：中原证券 中国有望在 2020 年 研发完成首台 E 级超算， 重回 TOP500 榜首。 从全球 E 级超算的研发计划来看，中国计划在 2020 年推出首台 E 级超算；美国也公布了多个采用不同架构的 E 级超算计划，希望于 2021 年交付首台 E 级超算；日本基于超算“京”研发的 E 级超算“后京”原本计划在 2020 年部署，之后相关项目人称部署可能会延迟 1-2 年；欧盟则预计在 2021-2022年交付首台 E 级超算。 4. 国产化 ： 已 完成 国产芯片突破 ，但 芯片 性能和生态 差距仍然明显 4.1. 4 大国产化超算的芯片路线 在超算芯片的国产化方面， 我国近年来 如雨后春笋 ，呈现多点开花的格局， 主要可以分为4 大 厂商 阵营： 申威（江南计算技术研究所） 为了解决超算和国防的芯片自主化问题， 总参谋部第五十六研究所（无锡江南计算技术研究所）于 2003 年开始着手设计 高性能芯片。 其推出的 申威处理器源于 DEC 的 Alpha 21164（属于 RISC 指令集）， 得到了国家“核高基”的专项资金支持，成为了我国具有完全自主知识产权的处理器系列。 申威处理器 是 我国超算领域 国产化 攻坚战 最 重要 的 力量。 2012 年神威蓝光问世，使用