【科技评论】新型计算能否引领计算机产业革命?

计算技术自身原理、架构的不断演进是计算机产业持续发展的根本动力。近年来，量子计算、分子计算、DNA生物计算...





计算技术自身原理、架构的不断演进是计算机产业持续发展的根本动力。近年来，量子计算、分子计算、DNA 生物计算、神经网络计算等新型计算技术层出不穷，同时石墨烯材料的出现更是对传统的以硅基半导体技术为支撑的计算机产业发起强有力的挑战。新型计算技术的演进路径、适用场景和产业化前景不尽相同，可能带来对传统计算机产业的改良，甚至颠覆。我国产业界应对此保持科学认识，积极应对，化风险为机遇。

一、新一轮计算技术变革逼近临界点


传统计算技术演进面临体系困局。计算技术演进至今，整机结构始终沿用冯·诺依曼架构，芯片设计延续电子管、晶体管、集成电路、超大规模集成电路的演进路线，半导体工艺制程也在近40 年来遵循摩尔定律不变。然而，随着云计算、大数据等商业模式的兴起以及互联网、人工智能应用场景的增多，传统冯·诺依曼架构在自然语义分析、模式识别等非逻辑计算场合开始显得效率低下，在对以大流量、低密度、低能耗、分布式为特征的大数据进行处理时尤甚。同时，国际半导体技术发展路线图的更新自2010 年起逐渐放缓，英特尔公司对9nm 之后的工艺路径意见尚未统一。传统计算技术演进的体系性困局逐步凸显。

新型计算原理多路径演进。根据材料和机理不同，新型计算技术主要沿四种路径演进：一是传统硅基计算技术向神经网络计算、高效能计算领域延展。IBM 最新研发出模拟人脑的新一代计算芯片“TrueNorth”，从硬件层面实现了百万神经元处理，其运算速度、能耗在模式匹配、机器学习等特定运算场景下比通用芯片优化了三到四个数量级。二是生物DNA、石墨烯等碳基计算材料成为新的发展热点。以色列、日本、美国的大学已相继开发出用于基因诊断、生物信息存储甚至可进行互动游戏的DNA 生物计算机；韩国三星电子近日宣布在石墨烯晶体管制造方面取得突破。三是量子、光子等新型微粒子计算由幕后走向台前。加拿大D-Wave 公司推出了128 个量子位的量子计算机，并开始向512位升级；麻省一家光学技术公司正与美国航空航天局合作开发光子计算机的“光”路板。四是用于特殊计算应用的实验理论模型不断涌现，如“零能耗”的可逆计算机，观测分子作用的核磁共振计算机，用于解决“最短路径”问题的霉变计算机等。新型计算技术百花齐放，为解决传统计算瓶颈提供了多种可选方案。

先进国家和地区积极抢位前沿计算布局。近年来，美国、欧盟积极调动政府、军队、高校、研究机构、企业等多方资源，加快了前沿计算技术、产品的研发产业化步伐。美国国家安全局2014 年斥资近8000 万美元用于密码破译量子计算机的研发；美国国防部先进研究项目局与IBM、哈佛机器人实验室合作将于2016 年完成100 亿神经元规模类人脑计算机原型的开发；欧盟2013 年启动了未来十年新兴技术旗舰工程，“人脑项目”（Human Brain Project）和石墨烯材料研究被确定为首批支持的两大项目，投资规模均超过10 亿欧元。

二、改良或颠覆：新型计算对传统计算机产业的影响解析

近期改良作用明显。诸多新型计算演进路径中，硅基计算产业基础最为成熟，生态系统最为完备，在可预见的二、三十年间仍将作为主流的演进方向。因此，沿硅基路径演进的神经网络、类人脑芯片对传统计算机产业有着更为现实的改良意义。主要体现在两个方面：一是终端产品的智能化升级。高通宣布将推出首款用于移动终端的高能效神经元处理器“Zeroth”，苹果、谷歌、微软、三星等公司的新型感知技术正加速向移动终端产品普及。终端智能化在提升用户高科技体验、实现真正人机互动的同时，也将极大促进信息消费的发展。二是新兴市场的培育和价值挖掘。神经网络计算、高效能计算能有效弥补传统计算技术在非逻辑、分布式数据处理方面的短板，促进人工智能、机器人、大数据等新兴市场的发展，提升传统计算机产业的效益和价值空间。

远期或形成颠覆式革命。一方面，非硅基计算技术为计算机产业革命埋下了伏笔。DNA 芯片的大存储容量、高速并发处理和低功耗等特点令传统计算芯片望尘莫及；量子计算中的多维自旋态对于以“0”、“1”为基础的二进制运算、存储方式将可能引发根本性变革；寻找类似石墨烯的硅替代材料也为“后摩尔定律时代”的计算机产业发展提供了一种颠覆性思路。另一方面，产业颠覆式革命的爆发仍需要一个长期蓄力的过程。非硅基计算技术目前大多数还停留在理论研究和实验室验证阶段，尚无成熟、通用、商业化的芯片或产品问世。量子计算目前只在大质数分解、密码破译、保密通信等特殊应用具备优势，通用性不足；石墨烯要想真正替代硅材料尚需解决大面积低缺陷材料低温合成、能带隙开关控制、CMOS 型场效应管制备等诸多难题，产业生态培育也将是一个逐步的过程。

产业“马太效应”格局或将加剧。我国在超前计算研究方面，起点较高，跟进较快，高性能计算机、量子通信等多个领域的研究已位居世界前列，产业弯道超车迎来潜在良机。同时应清醒地看到，以美国为首的发达国家对于计算本身有着极为深刻的理解，其产业界对技术变革先觉先行的敏锐把握使得后发国家多年追赶形成的产业基础面临再次清零的风险，新的技术路径依赖和产业跟随态势可能再度形成，国家层面强者恒强的产业竞争格局仍将持续甚至加剧。

三、推进我国前沿计算技术及产业发展的几点建议

一是科学认识，有节推进。从战略层面科学认识计算技术的发展方向，合理研判新型计算的产业化前景及发展阶段，制定高效能计算或前沿计算领域中长期发展规划，有区别、有重点、分步骤加以支持。同时，对现有技术和已成型产品加大应用推广力度，以应用促发展。

二是高端专用兼顾通用开发。既要专注于研发高性能、低能耗、高可靠性、高安全性的定制化专用型处理器及整机产品，抢占产业制高点，又要兼顾通用民生市场的需求，推进通用芯片性能和适配性的不断完善，扩大国产整机产品的国际影响力和市场占有率。

三是构建“产、学、研、用”协调发展的大产业生态系统。
以应用需求为导向，开放和共享国家重点实验室、国家工程实验室、高性能计算机、数据中心等基础设施和资源为基础创新研发所用，同时加快推进前沿研究成果的产业转化。建立一批由企业、科研院所、行业组织、用户等共同参与的产业联盟，共同开展专利保护、标准制订和推广等工作，促进产业各创新主体、产业链各环节的良性互动。

(来源：赛迪智库，作者：温晓君)

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