從古至今，人類生產(chǎn)力的發(fā)展史，從人力、畜力到將各類能源轉(zhuǎn)化為動力來驅(qū)動機(jī)器，再到如今，以芯片和軟件平臺為主的計算能力，正日益成為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的底座。算力時代，未來正來。

幾周前在德國漢堡舉辦的2022國際超算大會上，發(fā)布了超級計算機(jī)Top500最新榜單，將這一全球科技前沿之爭的白熱化，再度展現(xiàn)人前——

首次入榜的美國超級計算機(jī)“前沿”位列榜首，這是全球首臺運(yùn)算能力達(dá)每秒100億億次浮點(diǎn)運(yùn)算的超算。日本超級計算機(jī)“富岳”在連續(xù)兩年蟬聯(lián)榜首之后，被“前沿”超越降至第二位。中國共有173臺超算上榜，上榜總數(shù)蟬聯(lián)第一。從制造商維度看，中國聯(lián)想是目前世界最大的超級計算機(jī)制造商。

與此同時，榜單顯示，中美兩國是上榜超算數(shù)量最多的兩個國家，超算500強(qiáng)中有近2/3來自兩國。

隨著人類社會數(shù)字化進(jìn)程推進(jìn)，數(shù)據(jù)成為新的生產(chǎn)資料，算力便是新的生產(chǎn)力，新的產(chǎn)業(yè)革命席卷而來，算力無所不在。站在算力時代的新起點(diǎn)，全球科研競爭進(jìn)入白熱化階段。

E級超算：誰將奪取“下一頂皇冠”

歷史上的每一次重大變革，無一不伴隨著現(xiàn)象級的技術(shù)突破。大規(guī)模種植技術(shù)的出現(xiàn)，使人類進(jìn)入農(nóng)業(yè)時代；蒸汽機(jī)和熱武器的發(fā)明，使人類進(jìn)入工業(yè)和大航海時代；計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)的誕生，使人類進(jìn)入信息時代。信息時代和算力密不可分，由計算、存儲、時延三要素表征的算力設(shè)施正推動人類通信水平向更高層級邁進(jìn)。

近日發(fā)布的《大數(shù)據(jù)藍(lán)皮書：中國大數(shù)據(jù)發(fā)展報告》顯示，當(dāng)前，新一輪科技創(chuàng)新給全球經(jīng)濟(jì)社會帶來了新的變革，全球創(chuàng)新版圖正在重構(gòu)，數(shù)字創(chuàng)新以其先導(dǎo)性和強(qiáng)滲透性，成為數(shù)字經(jīng)濟(jì)時代國家提升競爭優(yōu)勢的重要動力源。數(shù)字競爭力強(qiáng)的國家的數(shù)字創(chuàng)新能力都不弱，如美國、中國的數(shù)字創(chuàng)新能力得分均超過12，韓國、日本、荷蘭的數(shù)字創(chuàng)新能力得分均超過9。

中國在數(shù)字投資和數(shù)字基建方面具有優(yōu)勢，其中，高性能計算機(jī)快速發(fā)展，已達(dá)到國際先進(jìn)水平。中國超級計算機(jī)數(shù)量占比高達(dá)42%。值得注意的是，中國去年拿到全球高性能應(yīng)用領(lǐng)域最高獎“戈登·貝爾”獎。據(jù)了解，如果不是在世界最快超算上作出的成績，是無法拿到該獎項的。

在最新發(fā)布的榜單中，美國超級計算機(jī)“前沿”是全球首臺運(yùn)算能力達(dá)每秒100億億次浮點(diǎn)運(yùn)算的超算，也被稱為E級超算，這一計算層級的超算技術(shù)，是國際上高端信息技術(shù)創(chuàng)新和競爭的制高點(diǎn)，被全世界公認(rèn)為“超級計算機(jī)界的下一頂皇冠”。

業(yè)內(nèi)對E級超算標(biāo)準(zhǔn)有著嚴(yán)格定義，要求以高精度Linpack基準(zhǔn)測試作為其性能的衡量標(biāo)準(zhǔn)，這也是全球超算Top500榜單的參考基礎(chǔ)。同時，E級超算的功耗還不能超過40MW。對于E級超算，業(yè)內(nèi)認(rèn)定分為三個層次：第一層是超算的運(yùn)行峰值性能突破Exaflop/s；第二層是在Linpack基準(zhǔn)實際測試中突破Exaflop/s；“前沿”實際已經(jīng)達(dá)到這個層次；第三層的要求更高，在應(yīng)用運(yùn)用中的速度超過Exaflop/s。

除了美國和中國外，日本、歐洲和印度也都有研制E級超算的長期規(guī)劃。為了向自然科學(xué)、社會科學(xué)更深層次領(lǐng)域探索，人類對于計算速度的追求永無止境。

以每天都能聽到的天氣播報為例，簡單幾句話背后，是觀測與計算最前沿技術(shù)的深度融合。我國目前投入了6顆在軌業(yè)務(wù)運(yùn)行氣象衛(wèi)星、120個高空觀測站、236部新一代天氣雷達(dá)以及10930個國家級地面氣象站，用于看清大氣的微妙變化。收集到的各類氣象觀測數(shù)據(jù)，被“喂”給超級計算機(jī)，計算出一個關(guān)于某種氣象災(zāi)害發(fā)生可能性的數(shù)值。計算速度越快，對于復(fù)雜氣象的預(yù)報精度也就越高。

與直接應(yīng)用于計算領(lǐng)域相較，超級計算機(jī)在科研領(lǐng)域有更為重大的意義，在于對舊有科研范式的突破。

2007年，計算機(jī)科學(xué)家吉姆·格雷在演講中提到科學(xué)研究的四個范式，即以描述自然現(xiàn)象為主的第一范式、針對關(guān)鍵變量進(jìn)行演算的第二范式、通過計算機(jī)驗證預(yù)判的第三范式、依靠計算機(jī)分析得到結(jié)論的第四范式。也有人將第四范式稱為基于大數(shù)據(jù)的科學(xué)研究，它的到來預(yù)示著我們習(xí)以為常的“結(jié)論先行—仿真驗證”的研究方法被重新構(gòu)建，高性能算力在科研中的重要性更加突出。隨著超級計算機(jī)技術(shù)發(fā)展，在第三范式和第四范式中取得的科研突破將越來越多。

量子計算：神仙打架，未至終局

隨著集成電路逐漸接近原子極限，量子計算被認(rèn)為是后摩爾時代最具潛力的破局者。相比傳統(tǒng)的超級計算機(jī)技術(shù)路線，量子計算可提供指數(shù)級的算力提升，從而突破目前應(yīng)用領(lǐng)域的算力瓶頸。研制量子計算機(jī)，同樣成為各國角逐的焦點(diǎn)。

一個很鮮明的對比：日本超級計算機(jī)“富岳”曾登頂世界超算排行榜第一，然而2020年問世的中國量子計算機(jī)“九章”，處理高斯玻色取樣的速度比當(dāng)時最快的超級計算機(jī)快100萬億倍。

某種程度上說，超級計算機(jī)需要一億年完成的任務(wù)，量子計算機(jī)可以縮短到一分鐘。

量子計算為何優(yōu)于傳統(tǒng)計算機(jī)？經(jīng)典計算機(jī)在對晶體管進(jìn)行開關(guān)操作時會將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為1或0的符號，而量子計算機(jī)是使用“量子比特”，量子比特可以疊加，同時充當(dāng)1和0，也就是說，單個量子位可以執(zhí)行兩次計算。以此類推，到300個量子位時，量子計算機(jī)就可以在頃刻間執(zhí)行比可見宇宙中原子還多的計算。

2019年9月，多家海外媒體披露，谷歌一份內(nèi)部研究報告顯示，其研發(fā)的量子計算機(jī)成功在3分20秒時間內(nèi)，完成傳統(tǒng)計算機(jī)需1萬年時間處理的問題，并聲稱是全球首次實現(xiàn)“量子霸權(quán)”（即指量子計算機(jī)在速度和可完成運(yùn)算項目上，超越現(xiàn)有最快的傳統(tǒng)計算機(jī)）。

2019年12月，中科大宣布，已利用自主研發(fā)的先進(jìn)單光子源、多通道光學(xué)干涉儀，與中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員尤立星以及德國、荷蘭的科學(xué)家合作，成功實現(xiàn)了20光子輸入60 60模式（60個輸入口，60層的線路深度，包括396個分束器和108個反射鏡）干涉線路的玻色取樣實驗。與國際學(xué)界之前的研究成果相比，此次實驗成功操縱的單光子數(shù)增加了5倍，模式數(shù)增加了5倍，取樣速率提高了6萬倍，輸出態(tài)空間維數(shù)提高了百億倍。其中由于多光子高模式特性，輸出態(tài)空間達(dá)到了370萬億維數(shù)——

這等效于構(gòu)建了48個量子比特計算空間。當(dāng)時發(fā)表該研究結(jié)果的《物理評論快報》審稿人認(rèn)為，這項研究突破是“一個巨大的飛躍”，“是通往實現(xiàn)‘量子霸權(quán)’的‘彈簧跳板’”。

一年以后，中國科學(xué)家孜孜以求，從48一舉彈到了76，構(gòu)建出76個量子比特計算空間。速度比谷歌發(fā)布的53個超導(dǎo)比特量子計算原型機(jī)“懸鈴木”快100億倍。

2021年5月7日，《科學(xué)》雜志發(fā)表中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊研究成果，其成功研制出了量子計算原型機(jī)“祖沖之號”，操縱的超導(dǎo)量子比特達(dá)到62個，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了可編程的二維量子行走。該成果為在超導(dǎo)量子系統(tǒng)上實現(xiàn)量子優(yōu)越性，以及后續(xù)研究具有重大實用價值的量子計算奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

與此同時，升級版的“九章2.0”也極大提高了其量子優(yōu)勢，對于高斯玻色取樣問題，一年前的“九章”一分鐘可以完成的任務(wù)，世界上最強(qiáng)大的超級計算機(jī)需要花費(fèi)億年時間；而“九章2.0”一分鐘完成的任務(wù)，超級計算機(jī)花費(fèi)的時間要再增加百億倍。并且“九章2.0”還具有了部分可編程的能力。

“九章2.0”和“祖沖之號”的出現(xiàn)，使我國成為唯一在兩個物理體系中實現(xiàn)量子計算優(yōu)越性的國家。

“故事”遠(yuǎn)未結(jié)束。就在這個月，加拿大多倫多一家初創(chuàng)公司所開發(fā)的光子量子計算機(jī)Bore-alis登上《自然》雜志，并宣稱只用36微秒就可以解決傳統(tǒng)超級計算機(jī)需要9000年才能解決的問題，計算速度超過目前享譽(yù)全球的超級計算機(jī)，同時也向中國的九章2.0發(fā)起挑戰(zhàn)。

該研發(fā)團(tuán)隊還表示，它們的量子計算機(jī)基于光子，比IBM、谷歌、亞馬遜等基于超導(dǎo)電路或捕獲離子的量子計算機(jī)具有明顯的改進(jìn)與優(yōu)勢。

具體來說，基于超導(dǎo)電路或捕獲離子的量子比特需要比外太空還要冷的溫度，因為熱量會破壞量子比特。要在如此寒冷的溫度下保持量子比特，需要昂貴、笨重的低溫系統(tǒng)，而采用了這樣的系統(tǒng)，也會限制量子比特的尺寸大小往更迷你、更便捷的方向發(fā)展。

相比之下，基于光子的量子比特的量子計算機(jī)可以在室溫環(huán)境下運(yùn)行，可以集成到現(xiàn)有的基于光纖的電信系統(tǒng)中，幫助量子計算機(jī)連接到網(wǎng)絡(luò)，有望形成強(qiáng)大的量子互聯(lián)網(wǎng)?！癇orealis是第一臺任何擁有互聯(lián)網(wǎng)連接的人能夠公開使用的具有量子計算優(yōu)勢的機(jī)器?！痹撗芯康呢?fù)責(zé)人Jonathan Lavoie說。

“神仙打架”，未有終局。它給普通人帶來了什么？在復(fù)旦大學(xué)物理系教授施郁看來，基于兩種技術(shù)路線的算力的競爭，依然在繼續(xù)。

可以確定的是，普通人眼中天書般的科研競爭，無疑將不斷打破傳統(tǒng)計算機(jī)界限，使計算機(jī)運(yùn)算能力呈幾何級數(shù)劇增，并由此帶來適應(yīng)其“并行計算”特點(diǎn)的化學(xué)、人工智能等技術(shù)理論研究的突破，延伸至下游應(yīng)用技術(shù)，可能引發(fā)物流、金融、能源等多個與日常生活緊密相關(guān)的領(lǐng)域的生態(tài)變革，為社會生活帶來巨變。

欄目主編：龔丹韻

題圖來自視覺中國。 圖片說明：數(shù)據(jù)成為新的生產(chǎn)資料，算力便是新的生產(chǎn)力。

來源：作者：彭德倩