高效能電腦又可稱作“超級電腦”、“巨型電腦”，主要用來解決其他電腦解決不了的挑戰性問題，通常指具有極快運算速度、極大儲存容量、極高通訊頻寬的一類電腦。高效能電腦主要特點包含兩個面向：極大的資料儲存容量和極快速的資料處理速度，因此它可以在多種領域進行一些人們或普通電腦無法進行的工作。
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高效能計算機又可稱為超級電腦、巨型計算機，是世界公認的高新技術制高點和２１世紀最重要的科學領域之一。
高效能電腦（HPC，又稱為超級電腦）主要用來解決其他電腦解決不了的挑戰性問題，通常指具有極快運算速度、極大儲存容量、極高通訊頻寬的一類計算機。
主要特點包含兩個面向：極大的資料儲存容量和極快速的資料處理速度，因此它可以在多種領域進行一些人們或普通電腦無法進行的工作。
高效能運算被視為電腦科學與工程的“皇冠”，各國近年來均頻繁地從國家層級啟動研發計畫。
1. 高效能運算是重要科技方向
高效能電腦（HPC，High Performance Computer，又稱為超級電腦）是國之重器。從核爆模擬、油藏模擬，到極端天氣預報等，高效能運算都守護著國家安全與安寧。因此，高效能運算也成為衡量國家之間綜合實力的基準之一，被視為國家實力的象徵。 2020 年以來，十四五和新基建驅動我國高效能運算中心建設進入高速增長期，多地地方 政府和企事業單位都在積極建設和籌建高效能運算中心。
1.1. 高效能運算是什麼？
高效能運算是指將多個計算節點組織起來，透過網路連接在一起，進行協同工作， 組成一台效能更強大的計算機，通常指具有極快運算速度、極大儲存容量、極高通訊頻寬的一類電腦。高效能運算能夠讓整個電腦叢集為同一個任務工作，以更快的速度來解決一個複雜問題。一台高效能運算上往往執行一個任務（或有限的幾個任務）。全部的電腦資源都被傾注到同一個任務中。為了解決同一個問題，集群的不同計算機之間要有非常好的溝通能力。
圖1：高效能運算節點互聯示意圖
#高效能電腦是電腦與網路的結合。 假設網路從外部將分立的電腦連結在一起，那麼集群則是將網路內部化，讓網路成為系統內部不同電腦的溝通橋樑。首先創意發明集群的是有「高效能運算之父」之稱的 Seymour Cray。在 1960 年代，可以進行高性能運算的只是經過特別設計的、昂貴的大型主機。這些大型主機需要複雜的迴路以實現高運算頻率，所以其設計和生產週期都非常長。
Seymour Cray 提出並行是提高電腦效能的有效方式。 1964 年，Seymour Cray 開發的 CDC 6600 問世，他將多個普通的處理器連接起來，並使得這些處理器協同工作。政府和科學研究部門開始採購這樣的新型的高性能計算機，以取代原有的大型主機。高效能電腦為登月計畫等大型科學研究專案做出了不可磨滅的貢獻，開啟了高效能運算技術與產業多年的持續發展與繁榮。
高效能運算近60 年的演進路線可簡單地分為 2 個階段：Cray 時代和多電腦時代。
（1）Cray 時代。從 20 世紀 60—90 年代初期的 30 年被稱為“Cray 時代”，以單一記憶體向量機的技術革新為主導，Cray 定義和引領了前 30年的高效能運算市場。第一個 30 年研發以「頂天」為主，僅服務國家戰略部門。
（2）多電腦時代。從20 世紀90 年代迄今的後30 年被稱為“多計算機時代”，由於微處理器的出現，以及大量工業標準硬體的普及，以大規模互連多個通用乃至商用的計算部件的可擴展系統結構的技術創新主導了迄今為止的高效能運算發展。後 30年的高效能電腦在滿足國家策略應用對效能巔峰需求的同時，「立地」成為發展的主要目標，市場驅動、高效能運算應用普及成為第二階段的顯著特徵。
1.2. 高效能運算為什麼重要？
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高效能運算是電腦科學與工程的「皇冠」。 高效能運算是電腦技術的源頭之一。網路產業所依賴的資料中心的核心技術，諸如 Hadoop等平行程式設計工具和 RDMA 等遠端通訊技術大多脫胎於此。因此，高效能電腦被視為電腦科學與工程的「皇冠」。各國均頻繁從國家層級啟動研發計畫。在中國多次上榜全球高效能運算TOP500 後，美國自2015 年起將多所中國高效能運算相關機構或企業列入實體清單，包括國防科大、無錫江南運算技術研究所、曙光、申威等。而我國高效能運算整體實力和美國相比仍然有較大 差距。
因此，發展自主可控的高效能運算至關重要。
2、高效能運算的技術壁壘高
高效能計算的核心能力是64 位元雙精度浮點運算能力。高效能運算是一種通用算力， 其設計目標是提供完備、複雜的運算能力，在高精度運算能力更強。業界廣泛用於衡量高效能運算效能的Linpack 測試，測試的是高效能運算的“雙精度浮點運算能力”，即64 位元浮點數的運算（FP64），這是一種高精度的數值計算。在以二進位表示數位精確度 中，還有單精確度（32 位，FP32）、半精準度（16 位，FP16）以及整數型態（如 INT8、INT4） 等。數字位數越高，意味著人們可以在更大範圍內的數值內體現兩個數值的變化，從而 實現更精確計算。
高效能運算在底層晶片效能要求上高於普通的資料中心和智算中心。算力中心有多 種，大致可分為資料中心、高效能運算中心、智算中心等，而它們都可以用雲端的形式來 提供服務。以實現人工智慧需求為例，推理、訓練和模擬為AI 的三類主要任務。
在此維度上，晶片的應用上限由其底層構造決定，即使採用軟體最佳化也無法再提升。從晶片層面來看，如果底層晶片採用的是 CPU 專用 AI 晶片，那麼只能完成 AI 推理和訓 練任務，而無法完成模擬。因為 AI 晶片無法實現雙精度浮點運算，雙精度浮點運算大 量涉及線性代數方程式求解，而自然界的許多問題，包括科學問題、社會問題等，最後都 可轉化為線性代數方程式求解問題。
高效能運算的體系結構設計和軟體同樣重要。 晶片是高效能運算的重要組成部分， 但不是高效能運算技術的全部。高效能運算不是簡單的 CPU 堆砌，體系結構設計、高 速互聯網絡、平行檔案系統、儲存列陣等方面如果有所欠缺，即使堆再多的 CPU，高性 能運算效能也無法提升。隨著運算能力的增強、應用課題規模和複雜度的增加，高效能 電腦對平行檔案系統等效能要求越來越高。高效能運算的技術外溢效益非常明顯。由 於伺服器可以平滑地採用高效能運算的互聯技術、CPU 技術、作業系統技術和平行軟體 設計等技術，在高效能運算方面的累積能夠自然溢出到伺服器產業。
3、高效能運算市場高度景氣
#3.1. 高效能運算主要應用於哪些場景？
高效能運算適用於需要並行運算的任務，應用場景持續拓展。高效能運算主要應用場景分為兩大類，一類是飛行器設計、核模擬實驗、星雲模擬、解密碼等數值模擬場景， 一類是大數據分析、統計和人工智慧等資料分析場景。
由於飛行器等工程設計中許多情 況無法實測，只能進行運算模擬，因此美國對出口高效能運算十分謹慎。高效能運算應用正從過去的高精尖向更廣更寬的方向發展。隨著高效能運算的發展，尤其是使用成本的不斷下降，其應用領域也從具有國家戰略意義的核武研製、資訊安全、石油勘探等科學運算領域向更廣泛的國民經濟主戰場快速擴張，例如製藥、基因定序、動漫渲染、 資料探勘、金融分析以及網路服務等等。
從2021 年11 月中國高效能電腦TOP100 中的產業應用領域Linpack 效能份額來看，算力服務、高效能運算中心、人工智慧、科學運算等領域是高效能運算的主要用戶，互聯網大數據特別是AI 領域成長強勁。
圖6：中國 TOP100 產業應用領域份額（2021.11）
3.2. 高效能運算的市場空間有多大？
十四五和新基建驅動高效能運算進入快速增長期。我國高效能運算中心建置主要透過部省（市）合作協議確立高效能運算中心的建設計劃，國家科技部代表國家科技戰略對主機效能設定目標。地方政府希望高效能運算中心能成為區域科技發展的功能載體， 為其聚集人才、創新科技並推動經濟發展。 2021 年3 月，我國「十四五規劃」中明確提出，要「加快建構全國一體化大數據中心體系，強化算力統籌智能調度，建設若干國家樞紐節點和大數據中心集群，建設E 級和10E 級超級運算中心。」根據規劃，合肥、蘭州、廈門、太原等地多地都將陸續建立高效能運算中心。
「東數西算」工程落地可望進一步促進西部地區發展高效能運算中心。 2022 年2 月，發改委批復同意在京津冀、長三角、粵港澳大灣區、成渝、內蒙古、貴州、甘肅、寧夏等8 地啟動建設國家算力樞紐節點，並規劃了10 個國家數據中心集群。至此， 全國一體化大數據中心體系完成整體佈局設計，代表「東數西算」工程正式全面啟動。西部有風力發電、光伏發電，能源豐富，而且年平均氣溫比較低，十分適合計算中心的生存，而高性能計算業務對實時通訊的需求不高，未來高性能計算中心可望成為優化算力佈局的重要載體。
我們預期大型高效能運算中心單一投入在 20 億元以上，以平均每年新建 5 個高效能運算中心運算，政府規劃的高效能運算中心市場規模每年將達到 100 億元。
2022 年中國整體高效能運算市場規模將超 400 億元。 除政府規劃外，阿里、騰訊等 多家網路巨頭均積極佈局高效能運算建置。以騰訊為例，其於2020 年6 月正式開工的長三角人工智慧高效能運算中心投資超450 億元，建成後將承接各種大規模AI 演算法運算、機器學習、影像處理、科學運算與工程計算任務。此外，金融機構、營運商等均 積極部署自己的高效能運算。根據觀研天下預測，2022 年中國高效能運算產業整體市 場規模將超 400 億元，2021-2025 年 CAGR 約 13%。
4. 高效能運算市場競爭格局穩定
聯想、曙光、浪潮市佔率分居前三名。從中國高效能運算 TOP100 中主要公司係統個數統計來看，2002 年之前，TOP100 主要是國外的 HP、IBM 為主，後期以中國的聯想、 曙光和浪潮為主。
中科曙光在1998 年完成863 專案「曙光2000」可擴展機群體系結構的超級伺服器，2001 年完成「曙光3000」超級伺服器後，從2005 年開始，市場競爭開始有突出表現，曙光2010-2019 年連續10 年按裝機台數市佔率第一，2019 年佔接近40%。
浪潮在 2012 年完成「863 計畫」容錯伺服器專案後，2014 年開始有明顯起色。
聯想公司透過 2014 年對 IBM 公司 X86 HPC 產品線的併購，市佔率異軍突起，到 2021年已實現 TOP100 裝置台數份額第一。
而聯想、浪潮、曙光中，只有曙光擁有從晶片等 硬體到軟體系統的國產自主智慧財產權。
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