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(dòng)力來驅(qū)動(dòng)機(jī)器，再到如今，以芯片和軟件平臺(tái)為主的計(jì)算能力，正日益成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的底座。算力時(shí)代，未來正來。
幾周前在德國(guó)漢堡舉辦的2022國(guó)際超算大會(huì)上，發(fā)布了超級(jí)計(jì)算機(jī)Top500最新榜單，將這一全球科技前沿之爭(zhēng)的白熱化，再度展現(xiàn)人前——
首次入榜的美國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)“前沿”位列榜首，這是全球首臺(tái)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(jí)計(jì)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(guó)共有173臺(tái)超算上榜，上榜總數(shù)蟬聯(lián)第一。從制造商維度看，中國(guó)聯(lián)想是目前世界最大的超級(jí)計(jì)算機(jī)制造商。
與此同時(shí)，榜單顯示，中美兩國(guó)是上榜超算數(shù)量最多的兩個(gè)國(guó)家，超算500強(qiáng)中有近2/3來自兩國(guó)。
隨著人類社會(huì)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(shí)代的新起點(diǎn)，全球科研競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)入白熱化階段。
E級(jí)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(jí)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(shí)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(shí)代；計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)的誕生，使人類進(jìn)入信息時(shí)代。信息時(shí)代和算力密不可分，由計(jì)算、存儲(chǔ)、時(shí)延三要素表征的算力設(shè)施正推動(dòng)人類通信水平向更高層級(jí)邁進(jìn)。
近日發(fā)布的《大數(shù)據(jù)藍(lán)皮書：中國(guó)大數(shù)據(jù)發(fā)展報(bào)告》顯示，當(dāng)前，新一輪科技創(chuàng)新給全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(shí)代國(guó)家提升競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的重要?jiǎng)恿υ?。?shù)字競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)的國(guó)家的數(shù)字創(chuàng)新能力都不弱，如美國(guó)、中國(guó)的數(shù)字創(chuàng)新能力得分均超過12，韓國(guó)、日本、荷蘭的數(shù)字創(chuàng)新能力得分均超過9。
中國(guó)在數(shù)字投資和數(shù)字基建方面具有優(yōu)勢(shì)，其中，高性能計(jì)算機(jī)快速發(fā)展，已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)數(shù)量占比高達(dá)42%。值得注意的是，中國(guó)去年拿到全球高性能應(yīng)用領(lǐng)域最高獎(jiǎng)“戈登·貝爾”獎(jiǎng)。據(jù)了解，如果不是在世界最快超算上作出的成績(jī)，是無法拿到該獎(jiǎng)項(xiàng)的。
在最新發(fā)布的榜單中，美國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)“前沿”是全球首臺(tái)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(jí)超算，這一計(jì)算層級(jí)的超算技術(shù)，是國(guó)際上高端信息技術(shù)創(chuàng)新和競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)，被全世界公認(rèn)為“超級(jí)計(jì)算機(jī)界的下一頂皇冠”。
業(yè)內(nèi)對(duì)E級(jí)超算標(biāo)準(zhǔn)有著嚴(yán)格定義，要求以高精度Linpack基準(zhǔn)測(cè)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(shí)，E級(jí)超算的功耗還不能超過40MW。對(duì)于E級(jí)超算，業(yè)內(nèi)認(rèn)定分為三個(gè)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(shí)際測(cè)試中突破Exaflop/s；“前沿”實(shí)際已經(jīng)達(dá)到這個(gè)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(guó)和中國(guó)外，日本、歐洲和印度也都有研制E級(jí)超算的長(zhǎng)期規(guī)劃。為了向自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)更深層次領(lǐng)域探索，人類對(duì)于計(jì)算速度的追求永無止境。
以每天都能聽到的天氣播報(bào)為例，簡(jiǎn)單幾句話背后，是觀測(cè)與計(jì)算最前沿技術(shù)的深度融合。我國(guó)目前投入了6顆在軌業(yè)務(wù)運(yùn)行氣象衛(wèi)星、120個(gè)高空觀測(cè)站、236部新一代天氣雷達(dá)以及10930個(gè)國(guó)家級(jí)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(cè)數(shù)據(jù)，被“喂”給超級(jí)計(jì)算機(jī)，計(jì)算出一個(gè)關(guān)于某種氣象災(zāi)害發(fā)生可能性的數(shù)值。計(jì)算速度越快，對(duì)于復(fù)雜氣象的預(yù)報(bào)精度也就越高。
與直接應(yīng)用于計(jì)算領(lǐng)域相較，超級(jí)計(jì)算機(jī)在科研領(lǐng)域有更為重大的意義，在于對(duì)舊有科研范式的突破。
2007年，計(jì)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(gè)范式，即以描述自然現(xiàn)象為主的第一范式、針對(duì)關(guān)鍵變量進(jìn)行演算的第二范式、通過計(jì)算機(jī)驗(yàn)證預(yù)判的第三范式、依靠計(jì)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(yàn)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(jí)計(jì)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(jì)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(jì)算被認(rèn)為是后摩爾時(shí)代最具潛力的破局者。相比傳統(tǒng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)技術(shù)路線，量子計(jì)算可提供指數(shù)級(jí)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(jì)算機(jī)，同樣成為各國(guó)角逐的焦點(diǎn)。
一個(gè)很鮮明的對(duì)比：日本超級(jí)計(jì)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(guó)量子計(jì)算機(jī)“九章”，處理高斯玻色取樣的速度比當(dāng)時(shí)最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快100萬億倍。
某種程度上說，超級(jí)計(jì)算機(jī)需要一億年完成的任務(wù)，量子計(jì)算機(jī)可以縮短到一分鐘。
量子計(jì)算為何優(yōu)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)？經(jīng)典計(jì)算機(jī)在對(duì)晶體管進(jìn)行開關(guān)操作時(shí)會(huì)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為1或0的符號(hào)，而量子計(jì)算機(jī)是使用“量子比特”，量子比特可以疊加，同時(shí)充當(dāng)1和0，也就是說，單個(gè)量子位可以執(zhí)行兩次計(jì)算。以此類推，到300個(gè)量子位時(shí)，量子計(jì)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(jì)算。
2019年9月，多家海外媒體披露，谷歌一份內(nèi)部研究報(bào)告顯示，其研發(fā)的量子計(jì)算機(jī)成功在3分20秒時(shí)間內(nèi)，完成傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需1萬年時(shí)間處理的問題，并聲稱是全球首次實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”（即指量子計(jì)算機(jī)在速度和可完成運(yùn)算項(xiàng)目上，超越現(xiàn)有最快的傳統(tǒng)計(jì)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(guó)、荷蘭的科學(xué)家合作，成功實(shí)現(xiàn)了20光子輸入60 60模式（60個(gè)輸入口，60層的線路深度，包括396個(gè)分束器和108個(gè)反射鏡）干涉線路的玻色取樣實(shí)驗(yàn)。與國(guó)際學(xué)界之前的研究成果相比，此次實(shí)驗(yàn)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(gè)量子比特計(jì)算空間。當(dāng)時(shí)發(fā)表該研究結(jié)果的《物理評(píng)論快報(bào)》審稿人認(rèn)為，這項(xiàng)研究突破是“一個(gè)巨大的飛躍”，“是通往實(shí)現(xiàn)‘量子霸權(quán)’的‘彈簧跳板’”。
一年以后，中國(guó)科學(xué)家孜孜以求，從48一舉彈到了76，構(gòu)建出76個(gè)量子比特計(jì)算空間。速度比谷歌發(fā)布的53個(gè)超導(dǎo)比特量子計(jì)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)研究成果，其成功研制出了量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號(hào)”，操縱的超導(dǎo)量子比特達(dá)到62個(gè)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)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(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，以及后續(xù)研究具有重大實(shí)用價(jià)值的量子計(jì)算奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
與此同時(shí)，升級(jí)版的“九章2.0”也極大提高了其量子優(yōu)勢(shì)，對(duì)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(jí)計(jì)算機(jī)需要花費(fèi)億年時(shí)間；而“九章2.0”一分鐘完成的任務(wù)，超級(jí)計(jì)算機(jī)花費(fèi)的時(shí)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(hào)”的出現(xiàn)，使我國(guó)成為唯一在兩個(gè)物理體系中實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性的國(guó)家。
“故事”遠(yuǎn)未結(jié)束。就在這個(gè)月，加拿大多倫多一家初創(chuàng)公司所開發(fā)的光子量子計(jì)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(jí)計(jì)算機(jī)需要9000年才能解決的問題，計(jì)算速度超過目前享譽(yù)全球的超級(jí)計(jì)算機(jī)，同時(shí)也向中國(guó)的九章2.0發(fā)起挑戰(zhàn)。
該研發(fā)團(tuán)隊(duì)還表示，它們的量子計(jì)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(jì)算機(jī)具有明顯的改進(jìn)與優(yōu)勢(shì)。
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?yàn)闊崃繒?huì)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(huì)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(jì)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(jì)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(tái)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(jì)算優(yōu)勢(shì)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(jìng)爭(zhēng)，依然在繼續(xù)。
可以確定的是，普通人眼中天書般的科研競(jìng)爭(zhēng)，無疑將不斷打破傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)界限，使計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力呈幾何級(jí)數(shù)劇增，并由此帶來適應(yīng)其“并行計(jì)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(gè)與日常生活緊密相關(guān)的領(lǐng)域的生態(tài)變革，為社會(huì)生活帶來巨變。
欄目主編：龔丹韻
題圖來自視覺中國(guó)。 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
