1、附件 1“高性能 計算”重點專項 2016 年度項目申報指南依據國家中長期科學和技術發展規劃綱要（20062020年），科技部會同有關部門組織開展了高性能計算重點專項實施方案編制工作，在此基礎上啟動 “高性能計算”重點專項 2016年度項目，并發布本指南。本專項總體目標是：在E 級計算機的體系結構，新型處理器結構、高速互連網絡、整機基礎架構、軟件環境、面向應用的協同設計、大規模系統管控與容錯等核心技術方面取得突破，依托自主可控技術，研制適應應用需求的E 級（百億億次左右）高性能計算機系統，使我國高性能計算機的性能在“十三五” 末期保持世界領先水平。 研發一批重大關鍵領域/行業的高性能計算應用軟

2、件，建立適應不同行業的23 個高性能計算應用軟件中心， 構建可持續發展的高性能計算應用生態環境。配合 E 級計算機和應 1 用軟件研發，探索新型高性能計算服務的可持續發展機制，創新組織管理與運營模式，建立具有世界一流資源能力和服務水平的國家高性能計算環境，在我國科學研究和經濟與社會發展中發揮重要作用，并通過國家高性能計算環境所取得的經驗，促進我國計算服務業的產生和成長。本專項圍繞 E 級高性能計算機系統研制、高性能計算應用軟件研發、高性能計算環境研發等三個創新鏈（技術方向）部署 20個重點研究任務，專項實施周期為5 年，即 2016 年 2020 年。按照分步實施、 重點突出原則， 2016

3、年啟動項目的主要研究內容包括： E 級計算機總體技術及評測技術與系統，高性能應用軟件研發與推廣應用機制， 重大行業高性能數值裝置和應用軟件，E 級高性能應用軟件編程框架及應用示范，國家高性能計算環境服務化機制與支撐體系，基于國家高性能計算環境的服務系統等重大共性關鍵技術與應用示范研究，以及新型高性能互連網絡、適應于百億億次級計算的可計算物理建模與新型計算方法等基礎 2 前沿研究。 2016 年在三個技術方向啟動10 個任務。針對任務中的研究內容，以項目為單位進行申報。項目設1名項目負責人，項目下設課題數原則上不超過5 個，每個課題設1 名課題負責人，每個課題承擔單位原則上不超過5 個。1. E

4、 級高性能計算機系統研制1.1 總體技術及評測技術與系統研究（重大共性關鍵技術類）研究內容：研究提出我國高性能計算機系統發展技術路線圖和總體技術方案。研究我國高性能計算技術標準體系和核心標準，推動高性能計算機、高性能計算應用和高性能計算環境的協調均衡發展。研究 E 級高性能計算機評測方法與技術，發展體現應用特點的基準測試程序集， 對 E 級高性能計算機系統進行全面評測，以評測促進研究工作。考核指標：完成高性能計算機系統技術路線圖和總體技術方案；完成我國高性能計算技術標準體系，制定3 個核心標準；提出適應 E 級高性能計算機評測需求的評測方法，研制基準測試程 3 序集和評測系統，建立可持續發展的

5、評測環境，完成對E 級高性能計算機系統的評測。支持年限：不超過5 年擬支持項目數： 1 項1.2 新型高性能互連網絡（基礎前沿類）研究內容：面向百萬節點、數千萬處理器核規模，開展按需彈性網絡設計方法和光互連網絡的研究，實現互連網絡結構（拓撲和路由）與應用通信特征的最優匹配。主要研究內容包括：與計算和存儲協同的融合網絡理論、架構與協議、相應的編程模型和通信模型，網絡與國產處理器的融合架構與設計，融合多協議的新型網絡設備體系結構。高性能高密度的光互連網絡架構、基于光交換的動態光路可重構網絡和路由算法、低功耗設計及光電高密度集成。應用通信行為分析和建模、面向應用通信特征的高性能互連網絡結構設計方法、

6、高階路由器設計方法、無死鎖和可容錯路由 4 算法等。考核指標：提供原型芯片及原型系統，證明技術有效性。形成網絡與應用、計算和存儲相互協同的設計新方法，建立和發展新型大規模計算機互連網絡理論，為我國在高性能計算領域保持領先優勢提供關鍵保障。實施年限：不超過3 年擬支持項目數： 12 項1.3 E 級計算機關鍵技術驗證系統（重大共性關鍵技術）研究內容：提出突破制約E 級計算系統功耗、性能、可擴展性等技術瓶頸的新思路，基于自主可控核心器件，探索先進的體系結構及關鍵技術，構建規模性驗證系統，驗證E 級計算機系統的可實現性，為國產E 級計算機的研制奠定堅實的技術基礎。研究可實現 E 級計算機的體系結構、

7、 高性能高可擴展的互連通信、能耗管控和高效冷卻、高效計算節點、自感知操作系統、編程模型和編譯系統、多層次存儲、綜合容錯技術等E 級系統關 5 鍵技術，采用國產超高性能處理器以及相關系統技術，實現規模性驗證系統，并運行基礎軟件和典型應用，驗證E 級計算機的可實現性。考核指標：完成 E 級系統關鍵技術驗證系統，系統的規模為512 個節點，單節點每秒 5T10TFlops 雙精度浮點計算性能， 節點能效每瓦10 20Gflops ，互連網絡的點對點單向帶寬大于200Gbps，MPI 延遲小于 1.5us，并證明其可實現10 萬節點以上規模。驗證系統配備包括節點操作系統、系統并行操作系統、運行時系統、

8、并行編譯系統等在內的系統軟件。在系統上部署3 個以上能驗證系統效能的大規模典型應用。驗證系統的 Linpack 效率大于 60%，HPCG 測試、 Graph500測試、深度學習類測試的性能達到世界先進水平。基于對所研制的驗證系統的測試與模擬，提出E 級系統的方案，證明其能效比可以達到 30GFlops/W 以上，互連、存儲系統的性能可以與計算系統匹配。驗證系統與 E 級系統方案將為最終E 級機研制團隊的 6 遴選提供依據。 鼓勵優勢單位強強合作， 提升核心技術原創水平。所研制的驗證系統要落實用戶或在國家高性能計算環境安裝部署，得到實際使用并得到用戶配套資金。實施年限：不超過2 年支持項目數：

9、擬支持不同技術路線和架構的13 臺系統2. 高性能計算應用軟件研發2.1 適應于百億億次級計算的可計算物理建模與新型計算方法（基礎前沿類）研究內容：針對典型應用領域中不適應于E 級計算的、我國重大行業應用普遍采用的四類左右的物理模型和計算方法，開展創新的可計算物理建模與計算方法研究，提出適應于 E 級計算的可計算物理建模和新型計算方法理論， 并進行數值模擬典型驗證。考核指標： 梳理并凝練形成依賴于E 級計算的若干共性基礎研究問題， 發現制約 E 級計算的四類左右的物理建模和計算方法瓶頸并提出相應的解決方案，探索建立適應于E 級計算的可計算 7 物理建模和新型計算方法理論。利用所提出的可計算物理

10、建模和新型計算方法，借助于E 級計算開展數值模擬研究，獲得國際領先的基礎研究成果，培養高水平基礎研究人才。實施年限：不超過5 年擬支持項目數： 12 項2.2 重大行業應用高性能數值裝置原型系統研制及應用示范（重大共性關鍵技術與應用示范類）研究內容：圍繞飛行器設計與優化、全球氣候變化等應用領域，基于現有研究基礎和自主研發的高性能應用軟件，突破其中的多物理、多尺度耦合技術瓶頸，構建高性能數值裝置原型系統并進行典型驗證，通過十億億次量級的高性能數值模擬，獲得一批匹配于物理裝置的重要的虛擬裝置數值模擬成果。（ 1）飛行器數值裝置原型系統 數值飛行器。研制自主知識產權的空氣動力學、結構強度力學分析兩套

11、應用軟件，研制考慮結構彈性的氣動力載荷分析、氣動彈性分析以及它們之間的多 8 物理、多尺度的流固耦合和多學科精細化綜合優化軟件系統。研究飛行器氣動力學以及飛行器空氣動力、飛行力學與結構動力學之間包括載荷傳遞的流固耦合計算、工程實用多體分離特種計算、飛機升阻力精確計算等高精度高效率計算方法，研究精確的跨音速氣動彈性計算方法和十萬量級設計變量的流固耦合綜合優化算法，研究百萬處理器核量級的并行計算技術。通過十億億次量級的高性能數值模擬，原型系統可以相對準確地開展大型飛行器總體結構強度分析，模擬氣動力學以及氣體與飛行器結構固體之間的流固耦合現象，獲得一批匹配于飛行器物理裝置的重要的虛擬裝置數值模擬成果

12、。（ 2）全球氣候預測與地球環境數值裝置原型系統 數值地球系統。研制自主知識產權的大氣模式應用軟件、海洋模式應用軟件、陸面模式應用軟件、海冰模式應用軟件和多類不同物理化學過程及其相互非線性耦合的大型應用軟件系統；研究多個模式的高分辨率數值計算方法、多個模式之間的高精度多物理耦合算 9 法和百萬 CPU 核量級的并行計算技術。 通過十億億次量級的高性能數值模擬，原型系統可以相對準確地模擬全球氣候變化中典型氣候現象和地球環境中典型氣候事件的發生，獲得一批匹配于地球氣候環境變化的重要的虛擬裝置數值模擬成果。考核指標：（1）數值飛行器原型系統的全機流場數值模擬可實現60 萬核規模以上并行計算，復雜部件

13、局部流場的高精度高分辨率數值模擬可實現百萬核規模以上并行計算，以萬核級為基準的并行效率達到 30%以上，升力預測精度 3%、阻力預測精度 5%以內。可進行非線性結構振動與非線性流動耦合模擬，網格規模達到百億量級，并行規模達到 60 萬核以上，以萬核級為基準的并行效率不低于 30%，形成非線性氣動彈性研究的完整體系，大展弦比飛機變形后升力特性預測精度5%以內，顫振速度預測精度10%以內，達到國際先進水平。多體分離系統模擬網格規模達到數十億量級，可實現百萬規模處理器核并行，以萬核級為基準的并行效率不低 10于 30%，模擬結果與試驗趨勢一致。氣動力和結構載荷分析考慮結構變形影響，實現反向耦合，載荷

14、計算精度在5%。可進行十萬設計變量的氣動力、氣動彈性、載荷和結構等多學科精細模擬優化，以萬核級為基準的60 萬核效率達到 30%以上。（ 2）數值地球原型系統實現對熱帶氣候系統（包括對赤道輻合帶、厄爾尼諾等）較準確的模擬，以解決目前國內外耦合模式中普遍存在的虛假赤道雙輻合帶以及厄爾尼諾強度及周期失準的問題，提供更為準確的臺風數目年際變化預估。實現在統一熱力學和動力學理論框架下，以碳、氮、磷循環為重點的生物地球化學過程模型，為陸地生態系統溫室氣體排放、水體富營養化、氣候變化對陸地生態系統的反饋機制等提供量化模擬結果。全球大氣模式的網格分辨率小于1/4 °，全球海洋模式的水平網格分辨率小

15、于 1/12 °。性能可擴展至100 萬核以上，并行效率達到30%，整體模擬速度達到5 模擬年 /天。有效完成全球超高分辨率100 年以上的數值模擬，提供更加合理的東亞地區氣候模擬結果并發布。11實施年限：不超過5 年擬支持項目數： 12 項，數值飛行器項目要求產學研結合申報有關說明：其他經費（包括地方財政經費、單位出資及社會渠道資金等）與中央財政經費比例不低于1：1。2.3 重大行業高性能應用軟件系統研制及應用示范（共性關鍵技術與應用示范類）研究內容：圍繞復雜電磁環境、 大型流體機械節能優化設計、復雜工程與重大裝備設計、海洋環境數值模擬、能源勘探等重大行業應用， 研制適應于 E 級

16、計算的行業共享的應用軟件系統并通過典型應用進行示范驗證，獲得一批具有重要顯示度的數值模擬成果。選擇以下一種重大行業應用軟件系統進行研發。（ 1）復雜電磁環境高性能應用軟件系統。圍繞復雜電磁環境領域重大行業應用在高性能計算電磁學及多物理等方面對E 級計算的迫切需求， 建立涵蓋器件 （至納米尺度）、平臺（至數萬波長）和區域（至數千平方公里）三個層次的高性能電磁數值模擬 12應用軟件系統， 實現對工程應用中復雜電磁多物理現象的E 級數值模擬，相對準確地預測大型艦船及編隊、飛行器編隊以及新一代無線通信系統中的復雜電磁環境效應，支撐信息化平臺及綜合電子信息系統的電磁及多物理設計、預測與評估，顯著提升它們

17、在復雜電磁環境中的適應能力。（ 2）大型流體機械節能優化設計能力型高性能計算應用軟件系統。針對壓縮機、鼓風機、泵及水輪機、風力機等大型流體機械的設計優化問題，研究多重旋轉坐標系下流體機械非定常流動的高效高精度基礎并行算法、新型十億億次及百億億次計算系統上流體并行軟件的可擴展性方法、大型流體機械多參數并行優化設計技術等；研制適合于軸流、離心及混流式多級流體機械非定常流動的能力型高性能并行應用軟件；通過十億億次量級的高性能數值模擬，完成10 級以上大型流體機械非定常流動并行計算，設計工況下的流量、壓比、效率預測精度在1%以內，調節工況下的預測精度在2%以內，為大型流體機械優化設計與安全13可靠控制

18、提供可靠的計算數據，為開發流體機械大規模、 高精度、大規模工程仿真提供有效計算工具。（ 3）復雜工程與裝備設計工程力學高性能應用軟件系統。圍繞大型裝備制造、大型土木工程、大型水利工程等復雜工程系統的高分辨率數值模擬對E 級工程力學計算的迫切需求，研制涵蓋靜力學分析、模態分析、沖擊分析、材料損傷與破壞分析、非連續性分析等的高性能工程力學數值模擬應用軟件系統，通過十億億次量級的高性能數值模擬，實現國家重大科技專項中復雜工程裝備系統的典型力學響應行為分析，實現我國典型大型土木工程和大型水利工程抗重大自然災害和全生命周期中抗疲勞損傷的力學綜合性能評估，獲得與實驗一致的模擬結果。數值模擬的分辨率和計算規

19、模與國際同類系統相當。（ 4）海洋環境高性能數值模擬應用軟件。發展我國的浪流耦合理論、區域及近海海洋模式和預報保障服務， 研制西太平洋、北印度洋和南海高分辨率、多運動形態耦合的數值預報模式應用 14軟件，具備日變化和海洋內波分辨能力，遠海達到 5 公里分辨率，近海海域達到 1 公里分辨能力。研制近海海陸一體（干濕網格）的浪潮流內波風暴潮耦合的高分辨率數值模式和應用軟件，近海達到公里分辨率，近岸達到百米分辨率。考核指標：選擇上述某個重大行業應用，研制成功高性能應用軟件系統并進行典型應用示范驗證。軟件系統部署于國家高性能計算環境的超級計算機，通過高效率的十億億次量級及以上規模的數值模擬，獲得一批重

20、要的有顯示度的數值模擬成果，充分展示高性能計算對國家重要行業自主創新的支撐能力。以萬核為基準的并行效率在60 萬處理器核規模達到30%，數值模擬的分標率和精度達到國際同類軟件水平。實施年限：不超過5 年擬支持項目數： 13 項，要求產學研結合申報有關說明：其他經費（包括地方財政經費、單位出資及社會渠道資金等）與中央財政經費比例不低于1：1。152.4 科學研究高性能應用軟件系統研制及應用示范（重大共性關鍵技術與應用示范類）研究內容：圍繞材料科學、生物醫藥、科學發現等重大科學研究領域，梳理科學研究對E 級高性能計算的典型需求，研制適應于 E 級計算的科學研究典型應用軟件系統并進行應用示范驗證，獲

21、得一批重要的數值模擬和科學發現成果。選擇以下一種應用軟件系統進行研發。（ 1）材料科學應用軟件系統：圍繞我國材料科學領域對高通量 E 級計算的需求，研發自主知識產權的涵蓋第一性原理、微觀分子動力學和宏觀動力學演化的應用軟件系統，實現對能源、信息、制造等領域新型材料的創新設計和物性研究的 E 級數值模擬，獲得具有顯示度的數值模擬成果。（ 2）生物醫藥應用軟件系統：圍繞我國個性化醫療發展所需的醫藥設計和藥物篩選等對 E 級計算的迫切需求， 研發涵蓋分子動力學和藥物篩選數據處理的應用軟件系統，實現對個性化藥 16物設計與篩選全過程的典型E 級數值模擬， 獲得具有顯示度的數值模擬成果。（ 3）科學發現

22、高性能應用軟件系統：圍繞我國科學家開展的重大前沿基礎研究對 E 級計算的迫切需求， 研發高性能數值模擬應用軟件系統，涵蓋約4 個左右學科方向的基礎科學問題，實現對相應典型復雜物理現象的E 級數值模擬， 獲得具有顯示度的數值模擬成果。考核指標：從上述材料科學、生物醫藥、科學發現等重大基礎研究領域中，選擇并研制成功1 個高性能應用軟件系統并進行典型應用示范驗證，部署于國家高性能計算環境的超級計算機，通過高效率的十億億次量級及以上規模的典型示范數值模擬，獲得一批重要的具有顯示度的E 級數值模擬和科學發現成果，充分展示 E 級計算對基礎研究的支撐能力。以萬核為基準的并行效率在 60 萬處理器核規模達到

23、 30%，數值模擬的分標率和精度達到國際同類軟件水平。通過數值模擬獲得的基礎研究成果在國際上17形成影響力，達到國際先進水平。實施年限：不超過5 年擬支持項目數： 12 項有關說明：其他經費（包括地方財政經費、單位出資及社會渠道資金等）與中央財政經費比例不低于1：1。2.5 E 級高性能應用軟件編程框架研制及應用示范（重大共性關鍵技術類）研究內容：圍繞重大行業應用和基礎科學研究，凝練E 級應用軟件快速研發對高性能計算的共性需求，在現有研究基礎之上，研制應用軟件編程框架體系，必須同時涵蓋下面五個編程框架：（ 1）結構網格編程框架研制及應用示范：圍繞我國重大行業結構網格應用軟件快速研發的高性能計算

24、共性需求，在現有研究基礎之上，研制結構網格應用軟件編程框架，用于在E 級高性能計算機系統上支持至少20 個高效使用百萬量級CPU 核的應用軟件系統的快速研發以及大規模數值模擬。 18（ 2）非結構網格編程框架研制及應用示范：圍繞我國重大行業非結構網格應用軟件快速研發的高性能計算共性需求，在現有研究基礎之上，研制非結構網格應用軟件編程框架，用于在E級高性能計算機系統上支持至少 10 個高效使用百萬量級 CPU 核的應用軟件系統的快速研發以及大規模數值模擬。（ 3）無結構組合幾何計算編程框架研制及應用示范：圍繞我國重大行業無網格組合幾何計算應用軟件快速研發的高性能計算共性需求，在現有研究基礎之上，

25、研制無網格組合幾何計算應用軟件編程框架， 用于在 E 級高性能計算機系統上支持至少4 個高效使用百萬量級CPU 核的應用軟件系統的快速研發以及大規模數值模擬。（ 4）有限元計算編程框架研制及應用示范：圍繞我國重大行業有限元計算應用軟件快速研發的高性能計算共性需求，在現有研究基礎之上，研制有限元計算應用軟件編程框架，用于在E級高性能計算機系統上支持至少4個高效使用百萬量級CPU 核的19應用軟件系統的快速研發以及大規模數值模擬。（ 5）非數值圖計算編程框架研制及應用示范：圍繞我國重大行業大數據處理等應用軟件快速研發的高性能計算共性需求，在現有研究基礎之上，研制非數值圖計算應用軟件編程框架，用于在

26、 E 級高性能計算機系統上支持至少2 個高效使用百萬量級CPU 核的應用軟件系統的快速研發以及大規模非數值應用。考核指標： 凝練我國重大行業應用E 級應用軟件快速研發對高性能計算的共性需求，研制形成跨結構網格、非結構網格、無網格組合幾何計算、有限元、非數值圖計算的應用軟件編程框架體系，在 E 級高性能計算機系統上支持至少40 個高效使用百萬量級 CPU 核的應用軟件系統的快速研發以及大規模模擬，網格規模達千億、粒子數規模達到萬億、自由度規模達數萬億，200 萬處理器核并行效率達到30%以上，使我國的高性能計算應用編程框架的研發和實際應用達到國際領先水平。系統 2018 年完成在 E 級計算機驗

27、證系統和兩臺國產100PF 20機上的部署，并對專項支持的應用軟件開發團隊開放源碼。實施年限：不超過5 年擬支持項目數： 12 項有關說明：其他經費（包括地方財政經費、單位出資及社會渠道資金等）與中央財政經費比例不低于1：1。3. 高性能計算環境研發3.1 國家高性能計算環境服務化機制與支撐體系研究（一期）（重大共性關鍵技術類）研究內容：研究國家高性能計算環境計算服務化的新機制和支撐技術體系，支持環境服務化模式運行，構建具有基礎設施形態、服務化模式運行的國家高性能計算環境。研究內容包括：（ 1）資源準入和分級標準量化網絡服務水平和集群計算服務水平，定義資源評價綜合指標及綜合指標的計算方法、資源

28、服務質量級別和分級標準，作為資源定價收費的基本依據。發展與標準相適應、支持服務水平21量化的軟件系統，支持和引導用戶合理使用資源，形成全局統籌的資源布局。（ 2）環境資源提升在量化服務的基礎上，整合環境各結點的計算、存儲與軟件資源，實現資源的服務化封裝，提升環境資源能力與服務水平。（3）基于應用的全局資源優化調度根據應用程序特性和歷史運維數據，從理論和實際兩個角度分析和確定適合應用程序的集群、隊列以及計算規模，結合傳統的基于計算規模和運行時間的作業調度方法，形成第三種基于應用特性的全局資源優化調度。結合應用軟件本身的特征，分析主流應用軟件在不同體系結構、不同能力的資源中的性能特征，作為作業調度

29、的依據。定義隊列綜合指數，綜合排隊時間、運行時間、應用類型、計算規模等眾多參數，發展系統優化調度的核心算法。（ 4）支持多種模式運營的國家高性能計算環境運行管理支 22撐平臺研發支持服務化運營的資源管理、用戶管理、安全管理、計費管理等管理功能，形成支持環境運行的管理支撐平臺，研發支持服務與資源一體的環境監控系統、環境資源優化配置系統等。（ 5）具有基礎設施形態的國家高性能計算環境構建建立具有基礎設施形態的國家高性能計算環境，節點數14個以上，初步建立服務化運行模式；實現可滿足不同客戶需求的使用環境；建立國家高性能計算環境安全體系，支持各類高性能計算應用。（ 6）超級計算中心運行評價體系超級計算中心的穩定運行，是提供計算服務的前提和保障。針對提供公共計算服務的超級計算中心，根據用戶數量、機時使用情況、用戶培訓以及超級計算應用效果等指標，建立科學合理的超級計算中心和環境的綜合評價體系。考核指標：完成能初步支持服務化運營的國家高性能計算環23境運行管理支撐平臺，建立具有基礎設施形態的國家高性能計算環境（一期），節點數 14 個以上，初步實現以服務化模式運行。完成環境的資源升級，聚合的計算資源200PF 以上，存儲資源200PB 以上，部署 500 個以上的應用軟件和工具軟件，用戶數達到 5000 以上。完成超級計算應