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一、
科学计算概况
1. 科学计算的定义
科学计算指应用计算机处理科学研究和工程问题计算中所遇到的数学计算，包括理论公式驱动的计算和数据驱动的计算。
理论公式驱动的科学计算
•理论公式驱动的科学计算指的是以物理规律为底层逻辑，基于对理论公式的数值求解、进行仿真模拟。
•这种方法基于对自然界或特定现象的物理规律的理解，通过数学公式和模型来描述这些规律。然后，使用数值方法对这些数学模型进行求解，以预测或解释现象。
数据驱动的科学计算（AI for science）
•数据驱动的科学计算指的是以已有数据积累和理论公式驱动的科学计算的模拟仿真数据为训练数据，进行模型训练，将物理模型、机器学习和科学计算深度结合，从而得到规律来预测相关问题在真实世界的表现或行为。
•这种方法一般应用于底层规律不够清晰，无法用物理模型良好定义，却有大量数据的情况。
近年来，数据驱动的科学计算被逐渐应用于科学研究中，这种研究模式以理论公式驱动的科学计算产生的数据为基础，进行模型训练，有效推动了科学研究；整体看，产业界引领了科学计算的发展。
数据驱动的科学计算是指将AI技术应用于科学研究中，即基于理论公式驱动的科学计算产生的高精度数据进行模型训练。这一研究模式兼具理论公式驱动的科学计算的数据精确性和AI技术的强数据处理能力。这种研究模式成为现代科学研究和工业应用中的重要趋势。产业界凭借其资源和应用导向的优势，正在数据驱动的科学计算中发挥着引领作用。
理论公式驱动的科学计算产生数据
• 精确性高：基于数学模型和算法，能够提供高精度和可靠的计算结果。
• 解释性强：计算结果和过程通常可以解释和验证，便于理解和调试。
• 模型复杂度高，对算力需求高：构建精确的数学模型可能非常复杂，所涉及的自由度更大，面临的维度灾难问题更严重。
基于这些数据进行模型训练
• 数据处理能力强：可以快速处理和分析大量复杂的科学数据，通过模型训练来识别和学习数据中的模式和关联性，从而进行预测和决策。
• 数据依赖度高：大数据模型的性能高度依赖于数据质量和数量，数据不足或不准确会导致模型表现不佳。
资料来源：沙利文研究
2. 科学计算的发展历程科学计算主要由硬件和软件构成，硬件由专门用于处理科学计算工作负载的加速器、存储、固件等组成，为上层软件提供算力支持及使用载体。
在芯片方面，主要玩家为英特尔、AMD、英伟达。我国芯片的国产化已取得一定的突破，例如“神威·太湖之光”的运算系统全面采用了国产“申威26010”众核处理器，是我国第一台全部采用国产处理器构建的超级计算机。
在整机方面，国产主要玩家包含中科曙光、浪潮信息、联想、华为等。
3.科学计算的发展历程-硬件层面
从硬件层面来看，中国科学计算行业打破海外技术封锁，实现了长足的进步，在运算速度、芯片国产化方面均有所突破，并于2020年推出首台E级超级计算机。
近二三十年来，我国超算产业取得了长足的进步。在运算速度方面，我国的超级计算机多年占据TOP500榜首，并于2020年推出E级（百亿亿次）超级计算机；在芯片方面，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，申威处理器是我国超算领域国产化攻坚战最重要的力量。但我国在芯片性能和生态上与美国仍有明显的差距，我国商用超算目前仍然以采购国外芯片为主。
4.科学计算的发展历程-软件层面
软件可以分为系统软件和应用软件。
①操作系统：是核心底层基础软件，负责控制、管理、调度整个计算系统的硬件资源和软件资源；
②应用软件：科学计算涉及领域广泛，以QM、MD、分子对接和流体力学为主要应用方向。
我国在工业仿真软件上有所进展，但各类学科软件主要还是采购自海外，且价格昂贵、并行规模受限，使得科学计算的下游应用推广受到限制。
本土工业软件在早期经历过短暂突破，但由于政策扶持力度减弱叠加海外软件进军本土市场，行业发展停滞，直到二十大后才迎来新机遇；中国高精尖学科软件则面临发展动力长期不足的困境。
5. 科学计算的战略意义
科学计算对社会经济发展和国家安全起着至关重要的作用，被广泛应用于解决能源短缺、环境污染、全球气候变化等重大问题。且核心设备进口受限，促使中国自研超级计算机，发展科学计算产业。20世纪80年代，我国尚未开始研发超级计算机，石油工业部物探局向美国购买了一台IBM 大型机，然而因为超级计算机可用于模拟核试验、处理卫星图片等敏感场景，美国对超级计算机的出口十分谨慎。美方要求24小时监控超级计算机的使用，定期审查监控日志。在这样的背景下，国家加大发展超算的决心，此后我国在超级计算机领域进步迅猛。
6. 科学计算-政策支持
2023年以来，国家从算力基础设施的优化布局、高性能计算中心的建设、算力资源的统筹调度等多个方面出台了系列政策，支持和推动超级计算中心的发展。
2022年纷纷出台系列政策，系统性优化算力基础设施布局，引导通用数据中心、超算中心、智能计算中心、边缘数据中心等合理梯次布局。
7. 科学计算全球市场规模
2023年，全球科学计算市场规模达到347.6亿美元，随着中国市场的快速发展，预计整体市场将于2028年增至631.0亿美元，年复合增长率达到12.7%。
8. 科学计算中国市场规模
2023年，中国科学计算市场规模达到612.8亿元，在软硬件性能提升、应用生态完善、科研与商业需求增加等多重因素的驱动下，预计整体市场将于2028年增至1,625.9亿元，年复合增长率达到21.6%。
在科学计算市场中，高端制造、新能源和医药三大细分场景在2023年共占89.6%的市场份额，高端制造为最大市场，近年来新能源和医药行业的快速发展推动科学计算需求增长。
以上，资料及图片来源：沙利文研究、观研天下
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