高性能计算云（HPC Cloud） 白皮书 （2021） 超级计算创新联盟 2021年9月 版权声明 本白皮书版权属于超级计算创新联盟，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”。违反上述声明者，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、华为技术有限公司、 中国科学院计算机网络信息中心、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、国家超级计算济南中心、联想（北 京）信息技术有限公司、广州市品高软件股份有限公司、深圳北鲲 云计算有限公司、赛尔网络有限公司、中国科学院声学研究所、北 京华恒盛世科技有限公司、联科集团（中国）有限公司、江苏奥工 信息技术有限公司、浪潮电子信息产业股份有限公司、戴尔科技集 团、腾讯云计算（北京）有限责任公司、中国联通、中国电信、迈 普通信技术股份有限公司、苒升信息科技有限公司、优刻得科技股 份有限公司、飞腾信息技术有限公司。 主要撰稿人 宋平、穆琙博、毕立波、柴瑶琳、韩淑君、刘轶、张东升、高 巍、黄海、牛铁、张宏海、乔楠、刘海超、郭宇、甄亚楠、潘景山、 刘弢、崔吉顺、陈泽涛、邱洋、李青松、林安冬、赵宇、于跃、尤 佳莉、韩锐、王思羽、徐雅琳、付鸿雁、黄斌、季宝石、邸双朋、 高光辉、许良谋、凌巍才、张天承、邹弘宇、曹畅、张岩、徐洪磊、 徐海兵、郭久明、梁颖健、凌奕铭、刘沛、王晓慧、刘勇。 前 言 “数字化、网络化、智能化”已成为行业应用的基本特征，促 进行业应用向多样化与多元化方向发展。在智能化时代， “强大的算 力”将成为驱动技术创新与行业高质量发展的核心引擎。高性能计 算是解决国家经济建设、社会发展、科技创新、国家安全重大挑战 性问题的重要手段。以减低企业投入成本，提高高性能计算资源使 用效率为目标的高性能计算云，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。 本白皮书基于行业研究和调研报告，梳理了高性能计算云参考 模型，提出高性能计算云的基本概念，明确高性能计算云的三个分 类；围绕全球市场、应用上云、技术融合三个方面，梳理高性能计 算云的产业发展现状，总结提炼数字浪潮背景下高性能计算云的核 心价值；提出高性能计算云的参考架构，融合超算云、云超算、多 云互联的共性能力与特性能力；系统梳理高性能计算云应用场景与 典型案例；最后从计算业务上云、一体化安全防护体系、计算软件 服务化、绿色节能等不同方面，展望高性能计算云技术与产业发展 趋势。 当然，白皮书仍然存在诸多不足，恳请各界批评指正。 高性能计算云（HPC Cloud）白皮书 目 录 一、 高性能计算云发展现状 ..................................................................1 (一) 发展背景...................................................................................1 (二) 基本概念与分类 ......................................................................3 (三) 产业现状...................................................................................9 (四) 数字浪潮背景下高性能计算云的核心价值 ........................14 二、 高性能计算云参考架构 ................................................................16 (一) 高性能计算云参考架构 ........................................................16 (二) 基础设施层 ............................................................................18 (三) 平台层.....................................................................................25 (四) 服务层.....................................................................................31 (五) 运维管理平台 ........................................................................35 (六) 安全防护.................................................................................37 (七) 多云互联.................................................................................38 三、 高性能计算云应用场景与典型案例 ............................................50 (一) 能源勘探.................................................................................50 (二) 工业仿真.................................................................................51 (三) 多媒体.....................................................................................56 (四) 生命科学.................................................................................59 (五) 气象环保.................................................................................62 (六) 材料研发.................................................................................69 四、 高性能计算云趋势展望 ................................................................71 高性能计算云（HPC Cloud）白皮书 (一) 计算业务上云加速，高性能计算云产业发展迎来新格局 71 (二) 构建一体化安全防护体系是高性能计算云产业发展的根 本保障...............................................................................................72 (三) 计算应用软件服务化将成为高性能计算云服务新模式 ....72 (四) 绿色节能将成为高性能计算云高质量发展的关键主题 ....73 附录 1：缩略语........................................................................................75 附录 2：参考文献....................................................................................78 高性能计算云（HPC Cloud）白皮书 图 目 录 图 1 HPC Cloud 满足各行业算力需求 ..................................................2 图 2 高性能计算云参考模型 ................................................................3 图 3 高性能计算云多云互联 ................................................................8 图 4 全球高性能计算云市场规模预测 ..............................................10 图 5 2024 年高性能计算总体市场规模预测 ...................................... 11 图 6 2019 年垂直行业应用市场对比 ..................................................12 图 7 垂直行业云上 HPC 应用市场规模.............................................13 图 8 高性能计算云参考架构 ..............................................................16 图 9 智能化运维平台功能视图 ..........................................................36 图 10 算力中心间跨域高速互联网络 ................................................39 图 11 通过 IVI 翻译设备将 IPv4/IPv6 网络和资源无缝整合 ..........41 图 12 GeoEast 地震数据处理解释一体化系统 ...................................51 图 13 基于云超算的流体力学软件 ....................................................55 图 14 多媒体渲染集群逻辑架构 ........................................................58 图 15 基于 HPC Cloud 的生命科学应用方案 ....................................6