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关于美国未来战略计算方向的进一步分析

在前期分析的基础上,本报告聚焦于分析美国未来战略计算的选型方向[1]。本报告的主要结论如下:

上个世纪七十年代末、八十年代初,我国刚刚打开国门,“科学的春天”刚刚降临。而彼时作为世界第二大经济体的日本,其经济、工业和科技实力正处于历史之巅。仅以现代电子技术的基础性产业—半导体为例,在上个世纪八十年代的时候,全球半导体产业前十名当中日本企业占了六家,前三甲均为日本企业,国际市场份额超过52%以上,垄断能力堪比今日美国、中国台湾和韩国三方的芯片企业之和。甚至可以毫不夸张的讲,当年世人对各式各样的日本电器产品的偏爱远超今日人们对iPhone这款单一产品的追求。然而即便如此,日本政府,特别是产业界和科技界的决策者仍有一个巨大的“心理阴影”,还憋着一口气:那就是西方各界始终认为日本民族“只知模仿、缺乏原创”。从另一个视角,当年西方舆论界针对大和民族“搭便车”的这种指责对于今天我国民众而言是何等的熟悉!

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目前几种未来战略计算所依赖的芯片当中,只有量子计算的芯片不受“摩尔定律”的约束

一、日本“第五代计算机”研发计划

D-Wave
Systems下一代的量子计算机基本上已经完成,众所周知,D-Wave的量子计算技术是基于退火理论,虽然有不少人质疑其是否符合量子计算的定义,但随着量子芯片和算法的发展,基本上也都澄清了相关的疑虑。

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美国联邦政府负责组织实施未来战略计算研发计划的主管部门IARPA在量子计算研发布局方面启动时间早、项目安排周密,环环相扣;既立足现在,又考虑将来

为了改变日本的国家形象,彻底扭转西方国家的偏见,同时也为本国的高科技产业谋划升级换代之路,变“跟跑”为“领跑”,1979年至1982年由日本“国际贸易与产业省”牵头,会同日本各大高科技公司及一流科研机构,对世界未来的战略科技发展趋势进行了为期三年的全面分析与论证。1982年4月,日本“国际贸易与产业省”正式对外宣布实施为期十年的“第五代计算机”研发计划,总投资为1000亿日元,剑锋直指人工智能,力争在九十年代初与IBM等世界计算机龙头企业全面拉开代差,开创全球智能计算机的全新局面。顺便值得一提的是,我国最早的计算机智能化项目之一—“中医专家系统”也诞生于那个年代。

该公司目前市场上最新的产品是拥有2000量子比特的2000Q系统,即将推出的新一代退火量子技术所集成的量子比特数量是现有的两倍以上。另一方面,2000Q的Josephson
junction(约瑟夫森结)约有10万个,而新一代的退火量子计算所集成的约瑟夫森结高达100万,这也代表新的量子计算架构将可以处理更多更复杂的问题。

² 美国主管未来战略计算的几大部门在量子计算领域相互配合之势呼之欲出

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同样重要的是,即将推出的量子退火芯片将用新的Pegasus拓扑代替2000Q的Chimera
拓扑。Chimera将每个量子比特链接到其他六个量子量子比特,而在Pegasus中,每个量子比特将连接到另外15个量子比特。这意味着可以使用更少的量子比特来解决更大的问题。

² 量子计算是美国未来战略计算的主要方向

日本“新一代计算机技术研究所”所长渊一博

D-Wave首席产品官兼研发执行副总裁Alan
Baratz表示通过整合更大的量子比特数量,以及新的拓朴技术,新的量子退火计算机将成为世界上连接最紧密的量子计算装置,对用户而言,可以更有效率的解决更大且更复杂的问题。

1未来超级计算机用什么芯片?

日本的“第五代计算机”是计划把信息采集、存储、处理、通信同人工智能结合在一起的智能计算机系统。它能进行数值计算或处理一般的信息,主要能面向知识处理,具有形式化推理、联想、学习和解释的能力,能够帮助人们进行判断、决策、开拓未知领域和获得新的知识。然而,“第五代计算机”的命运是悲壮的。1992年,因最终没能突破关键性的技术难题,无法实现自然语言人机对话、程序自动生成等目标,导致了该计划最后阶段研究的流产。

Pegasus拓扑

在上一次提交的报告[2]当中指出美方在2015年年底举行的“国家战略计算倡议”一个内部研讨会中曾经分析了未来三种可能的新型计算模式,即“逼近计算”、“神经元计算”和“量子计算”。无论哪种计算模式,最终都涉及到硬件实现方式,即新型芯片的设计[3]。

二、美国国防部“战略计算倡议”

同时,新的制造技术也能带来更低的噪声,值得一提的是,这个低噪声制造技术是通过2000Q量子计算机的计算所研发出来的。借由噪声的减少,隧道传输效率提高了7.4倍,同时缩短量子比特的相干时间(coherence
time),达到更长的量子态维持时间,能够大幅提高应用程序的性能表现。

逼近计算目前的代表作之一是Google公司的基于深度学习算法的AlphaGo。而AlphaGo战胜人类围棋世界冠军背后的超级计算则是由所谓的“张量处理单元”(Tensor
Processing Unit, TPU)专用芯片完成的[4]。

可以想象,当年这个日本版的“AlphaGo”计划给美国各界带来了何等的震撼!在密切跟踪分析日本“第五代计算机”研发计划的基础上,美国国防高级研究计划局“不辱使命”于1983年针锋相对的启动了名为“战略计算倡议”(Strategic
Computing
Initiative,SCI)的研发计划,项目周期也是十年。美国着名的《新闻周刊》就此刊登了封面故事,非常准确的将其称之为“美日两国在该技术领域展开激烈竞争”。

Alan
Baratz对此表示,通过对噪声的降低,新的系统至少可以达到前代产品的25倍速度提升,而这也是D-Wave头一次清楚的证明噪声对量子退火系统中的量子效应与性能的影响程度。

神经元计算目前的代表作之一是IBM
Watson实验室研发的TrueNorth芯片,其计算模式模拟人类的大脑神经末梢的工作原理[5]。

经过十年的研发,在投入了大量人力物力之后,到了上个世纪九十年代初,无论是日本的FGCS还是美国的SCI均由于技术跨越过大而失败(否则也不会有今天IBM的“深蓝”、“Waston“,以及谷歌的“AlphaGo”了)。然而,与日本人铩羽而归,并将其研究成果免费与世人共享不同,美国总结了“战略计算倡议”的经验教训,并在此基础上启动了一个新的高新技术战略计划—“网络与信息技术研发计划”(Networking
and Information Technology Research and Development Program,
NITRD,即克林顿政府时期的“信息高速公路”计划)。NITRD计划从1992年开始实施至今,奠定了美国在IT技术及其诸多衍生领域的霸主地位则一直是NITRD计划的核心组成部分之一,只不过这个代表国家核心竞争力领域的明争暗斗已经从上个世纪八十年代的美日之争悄然转变成二十一世纪的中美之争。对此,美国将根据新的竞争对手,推出新的战略计划。

除了硬件以外,D-Wave也提供了更新的软件堆栈,包括其Ocean软件开发套件,让开发者可以通过熟悉的Python语言,轻松设计代码,而无须对量子力学或底层硬件有深入的了解。另外,D-Wave也提供了新的”混合”框架,通过软件库和工具的整合,让开发人员可以快速建构应用程序模块,快速的让应用在传统计算环境与量子计算环境分配计算任务。另外,D-Wave也提供了开发人员可以参考的混合工作流。

无论是TPU还是TrueNorth,都有一个共同特点,即均是基于CMOS技术[6]。换言之,尽管这两种芯片目前在大数据处理、人工智能等应用领域炙手可热,但由于依然受限于“摩尔定律”极限,假以时日其他国家依然会追赶上来。因此对于美国的战略决策者而言,这不属于他们经常强调的改变游戏规则的颠覆性技术。

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新的量子退火计算机被定名为Advantage系统,预计在2020年中上市,用户将能够通过公司的Leap量子计算云平台访问相关服务。而这个做法也让D-Wave站到与IBM同等的地位之上,目前IBM也提供类似的云平台供用户访问。毕竟维持量子计算的成本极高,一般用户取用量子计算的方式还是通过云最有效率。

而在量子计算的硬件研发领域,无论是“超导型量子逻辑门”[7]、“离子阱量子门”[8],还是“半导体量子点”等主流方案均为不受“摩尔定律”限制的新型量子芯片。一旦这类新型芯片研发成功,上述深度学习算法或神经元计算模式就能移植或整合到这上面来,从而发挥更强大的作用。

三、举全国之力的“国家战略计算倡议”

目前洛斯阿拉莫斯(LANL)国家实验室则选择架构自有的量子计算平台,目前该实验室已经拥有2000Q量子计算设备,而他们也会陆续把其2000Q设备升级为最新的Advantage系统。而截至目前为止,该实验室已经和其他合作厂商开发了超过60个量子计算应用程序。

因此,从未来新型芯片设计选型的角度来讲,量子芯片是目前美方唯一为未来战略计算而组织实施的技术路线[9]。而这一趋势对我而言还有更为深刻的启示,即要尽早从新型芯片体系架构和与之相适应的软件体系架构生态圈相互支撑方面进行谋划[10]。

为了应对世界经济、政治、科技和军事等领域急剧变化的新格局,未雨绸缪下好先手棋,2015年7月29日美国白宫正式公布了“国家战略计算倡议”(National
Strategic Computing
Initiative,NSCI)。尽管该计划的名称与三十几年前美国国防部高级研究计划局的“战略计算倡议”仅有一词之差,但“国家”二字已经展现出美国将举全国之力,在“后摩尔时代”继续牢牢把控未来计算的核心竞争力,并与其他竞争对手拉大代差的雄心壮志,堪比上个世纪四十年代的“曼哈顿计划”和六十年代的“阿波罗计划”。

D-Wave表示,他们的客户已经在广泛的商业与科学领域开发了超过150个以量子退火计算为基础的量子应用程序,类型更是千变万化,包含了航班时刻表、选举模型、化学、汽车设计、健康医疗、物流与金融管理等等。

还需要指出一点的是,在探索未来新型计算模式的时候,人们往往会把是否能够突破统治计算机科学领域半个多世纪的冯■诺依曼体系作为评判标准,即是否能够研发出新型的“非冯”体系架构的计算机。但这种评判标准过于粗放。例如,上述TrueNorth芯片就已经不再是冯■诺依曼架构了[11],所以人们似乎可以将其称之为全新的“非冯”计算机。但事实上,真正评判未来战略计算模式的标准应当改为:是依然全部沿用CMOS芯片[12],或是使用全新的非CMOS芯片?

纵观“国家战略计算倡议”的战略框架,人们可以发现该计划的一大特色,即联邦政府“既是主导,又是主体”的色彩非常浓厚。在美国传统的科技文化当中,政府一般仅仅是提出战略方向的倡议,产学研各界各自再根据科学技术发展规律和市场规律来决定是否响应,以及如何来配置资源。然而此次“国家战略计算倡议”开宗明义就指出联邦政府各要害部门将全程主导并参与未来新型计算领域,主要表现在以下领导机构、组织管理、政府用户等三个方面:

当然,随着Advantage系统的推出,D-Wave也希望能够更加扩大其商业应用范围。Alan
Baratz表示,应用软件决定了量子计算的价值。相较于其他还在云端的量子计算架构,量子退火技术的商用脚步明显更快,D-Wave也持续其在这方面的优势,希望能帮助客户开发出更多杀手级应用,从而证明量子退火技术的应用价值。

2 纵向分析:IARPA “量子计算产品线” 的布局—3个阶段+1个分支

一是“国家战略计算倡议”项目的领导机构是国防部和能源部这两个世界上最大的计算用户;

在美国政府2015年7月19日颁布的“国家战略计算倡议”政府各部门的分工当中,IARPA居于核心地位,负责组织实施未来战略计算项目。

二是由世界上最大的大数据集成单位国家情报总监办公室下属的情报高级研究计划局和主管全美标准化的美国国家标准技术研究所,做为“国家战略计算倡议”项目的组织执行机构;

自从2007年开始,新成立不久的IARPA开始全面接管原属于NSA支配的量子计算项目资金,并对项目管理方式动了大手术[13]。尽管IARPA掌握的量子计算资金数目不详[14],但经过近十年的布局,目前已经初步形成“环环相扣、高低搭配”的项目群,并通过项目指南作为杠杆,广泛吸纳欧美各国及澳大利亚等“西方文明集团”的科研机构和企业参与研发。截至目前为止,IARPA在量子计算/量子信息科学领域的项目布局大致可以分为3个阶段:

三是“国家战略计算倡议”的直接用户则包括了联邦调查局、国土安全部、国家安全局、国家航空航天署、国家卫生研究院,以及国家海洋与大气署等。

第1阶段[15]:量子计算/量子信息的物理实现阶段。其代表性项目为CSQ,MQCO[16]。主要集中在物理层量子调控的研究。

需要说明的是,情报高级研究计划局是美国情报界学习国防部的国防高级研究计划局的成功经验而成立的类似技术创新管理部门,情报高级研究计划局的前身是国防部下属的颠覆性技术办公室。至此,“国家战略计算倡议”从领导层、组织层和应用层形成了一个闭环。更加值得关注的是,整个“国家战略计算倡议”还有一个顶层协调领导机构,采用“双主席制”:由总统行政办公室主任及联邦预算管理办公室主任出任,负责协调联邦政府各部门在“国家战略计算倡议”推进过程中的各项工作,以及负责审核“国家战略计算倡议”的年度进展报告。计划管理力度如此之大,这一点在美国其他国家级科技战略倡议当中极为罕见。

第2阶段:量子计算机科学基础建设阶段。其代表性项目为QCS,主要研究未来量子计算机上运行的各种量子算法、所需的软硬件资源等。

四、技术路线的选择

第3阶段:量子逻辑芯片研发。LogiQ项目。这是一个被IARPA项目主管誉为类似于“曼哈顿计划—芝加哥一号反应堆”的核心项目[17]。2016年2月由IBM中标,2021年项目终验。

“国家战略计算倡议”计划分为近期和中长期两个档次。近期计划是在2020年完成百亿亿次超级计算机的研发,从而“挤干互补型金属氧化物半导体技术这颗柠檬的最后一滴水”,其具体负责的部门是美国能源部,2017财年获得的研发经费为2.85亿美元。我国十三五期间也将同步开展类似的研发。如果美国方面在此之后不再继续沿着CMOS技术路线走下去,那么百亿亿次数量级的超级计算机的竞争恐怕也将是两国在CMOS这个舞台上的谢幕之战。

上述项目群形成“金字塔”结构,其最终目标是使得美国能够在全球率先夺取量子信息科学的“圣杯”—研发大规模容错型通用量子计算机[18]。

“国家战略计算倡议”计划中最引人关注的是其未来10-20年的中长期规划。对此,美国战略决策部门提出了两条并行的思路:第一类是“研发那些超越CMOS理论极限的技术”,第二类是“为未来大规模计算开启全新局面的技术”。至于哪些技术属于第一类,哪些技术属于第二类,仍未有清晰的界定。而目前可供选型的方案包括“立体芯片”、
“逼近计算”、“超导计算”、“神经元计算”,以及“量子计算”等。但如果人们仔细分析这些方案背后的基础,却能发现暗藏玄机。

特别令人关注的是,
IARPA在2015年5月发布的LogiQ项目招标文件当中,明确指出不考虑绝热型量子计算机方案。而这一方案的代表“D-Wave”是目前世界首款投入商业应用的量子计算机[19]。为何IARPA在LogiQ项目中对D-Wave方案不予考虑?这一谜底在IBM近期发布的一份报告中部分得以揭晓[20]:D-Wave所代表的“量子退火仿真器”属于量子计算机家族的“短线产品”。它不具备大规模可扩展性[21]。但另一方面,IARPA并未忽略这类短线产品,而是将其放在了下面这个与大规模容错型通用量子计算机“高低搭配”的位置。

超导计算最早源自于上个世纪五十年代,着名的国防企业诺斯诺普▪格鲁曼公司,以及IBM等均在该领域进行了长期的研究。超导方案在上个世纪七十年代慢慢放缓了产业化的步伐,让位于CMOS技术。但“柳暗花明又一村”,由于拥有长期的技术储备,现在超导计算机技术已经逐步与超导型量子计算方案相融合。至于立体芯片技术,亦即将传统的平面芯片设计提升为三维立体芯片,从而在单位空间之下可以容纳更多的晶体管。该技术目前也在快速发展,但是否能够很好的解决散热问题,以及能耗是否急剧攀升等,均尚属未知。

1个分支:量子增强优化项目。2016年4月17日,IARPA专门启动了一项名为QEO的招标项目,其主要目标是在5年之内完成基于D-wave量子退火仿真器的试验床建设[22],并在该试验床上验证量子退火算法。

逼近计算的倡导者认为并非所有的计算过程都需要无限的精度,在各个计算环节当中只需具有适当的精度,最后的结果也能令用户满意,逼近计算目前的代表作之一是Google公司基于深度学习算法的AlphaGo。而AlphaGo战胜人类围棋世界冠军背后的超级计算则是由所谓的“张量处理单元”(Tensor
Processing Unit, TPU)专用芯片完成的。Google TPU团队负责人 Norm Jouppi
在 Google Research 博客中介绍,TPU
专为机器学习应用打造,可以降低精度运算,因而能够在同样时间内处理更复杂、更强大的机器学习模型,并更快地将这些模型投入使用,用户也能得到更快速、更智能的回复,从而形成一个正循环。

QEO项目与前面三个阶段的项目不同,不是指向大规模容错型通用量子计算机。那为何IARPA在“量子曼哈顿计划”[23]处于最关键的攻关阶段要分散资源来研发这个短线产品呢?答案是测试量子算法。

神经元计算目前的代表作之一是IBM
Watson实验室研发的TrueNorth芯片,其计算模式模拟人类的大脑神经末梢的工作原理。由于脑科学研究被誉为人类科学研究最后的“黑洞”,目前神经元计算也方兴未艾,但其科学机理仍在探索之中。作为前沿科学探索的热点未尝不可,但作为一个国家的战略选型方向,风险仍不可控。

为了降低研发风险,IARPA在启动LogiQ项目,并为大规模容错型通用量子计算机做必要准备的同时,也在关注一旦这个高端产品研发成功,是否会成为“无米之炊”,即是否有足够多的量子加速算法供其使用[24]。而目前唯一[25]通过了实践检验的量子算法就是D-wave上运行的量子退火算法[26]。该算法在特定条件下比传统的计算机退火算法速度提高了一亿倍。为此,IARPA拟组织研发进一步检验量子退火算法的试验床。此外,由于退火算法本身在优化领域具有大量的应用案例(例如各种格式的大数据快速检索,这是国家情报总监办公室梦寐以求的“情报大数据分析”工具),具有足够的驱动力[27]。

尽管可供美国科技战略高层选择的方案也不少,但上述各类方案却有一个共同特点,即从本质上仍依赖CMOS技术。由于单个晶体管的尺寸如果接近或小于5纳米,就会产生“飘忽不定”的量子隧穿效应,所以这些方案均会被量子物理基本定律“锁死”。因此,假以时日,其他竞争对手只要投入足够的人力物力资源,那么在基于CMOS的高端芯片技术领域,以及由此建立起来的超级计算技术等核心领域,潜在对手们均可以和美国人并驾齐驱甚至超越。这种可预期的局面对于美国决策者而言是绝不会袖手不管的。

从以上分析可以看出,IARPA作为美国“国家战略计算倡议”的具体执行部门,集中资源在量子计算/量子信息科学领域进行了长时间的布局,规划较为周到、全面,目前已经进入最后的工程攻坚阶段。

“美国在高性能计算领域的领导力远未结束—它所具备的强大威力将有助于我们达到国家的首要目标,例如全球经济竞争力、科学发现,以及国家安全”。美国“国家战略计算倡议”计划清晰无误的表明了这一态度。因此,对于“国家战略计算倡议”带来的长远影响而言,就仅仅剩下了一种选择…。

3 横向分析:联邦政府几个主要部门的协同配合

五、长期战略布局聚焦于量子计算

众所周知,成立于“9■11”之后的美国国家情报总监办公室负责抓总协调美国各军兵种、情报机构,以及主要的强力部门,唯一不受该机构管辖的是美国国防部。而ODNI下属的IARPA则将自身定位为类似于国防部下属的DARPA的角色。因此观察ODNI/IARPA与DOD在量子计算研发方面的协同配合是判断该项技术是否成为美国政府未来战略方向决心的风向标之一。

量子计算机的概念最早由美国着名的物理学家费曼在1982年提出,由于彼时正值电子计算机小型化并开始进入千家万户(PC机开始盛行以及随之而来的互联网,这也是导致日本第五代计算机研发失败的经济大背景),因此量子计算机的研发并未受到政府部门或产业界的重视。一直到1994年由于美国贝尔实验室一位数学家彼得·秀尔在使用量子计算理论算法破译现代密码领域的开创性工作,才又引发人们对量子计算机的研发热情。但由于技术尚不成熟,因此量子计算机研发步伐一直较为缓慢,以至于2008年美国总统最高科学顾问机构——国家科技委在发表的专题报告《量子信息科学:联邦政府的视角》当中,提出的目标依然是需加强量子信息基础理论层面的研究。

从2016年开始,DOD启动了面向高校创新驱动的“多学科交叉研究”项目[28]。而这系列项目中排名第一的就是量子计算与通信[29]。从项目指南中可以看到国防部与IARPA在量子计算领域的默契分工:即IARPA负责研发量子计算机,而国防部则关注量子计算机与现有计算机网络的“兼容性”[30]。

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