先進計算是面向從量變到質(zhì)變的信息需求，在計算方式、位置、算法或機理等方面產(chǎn)生進步和革新的新興計算技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的統(tǒng)稱，其內(nèi)涵可由算力、算據(jù)、算法三大要素來表征。先進計算對于促進信息產(chǎn)業(yè)能級躍升、提高經(jīng)濟社會發(fā)展質(zhì)量和效益具有至關(guān)重要的意義。當前，我國已具備發(fā)展先進計算的市場條件和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。我國已基于X86架構(gòu)自主研發(fā)CPU核、IP核、整機等系列產(chǎn)品，基于ARM架構(gòu)的應(yīng)用推廣和生態(tài)布局呈“軍團式”興起態(tài)勢，先進計算產(chǎn)業(yè)正蓄勢待發(fā)。展望2021年，器件、架構(gòu)、軟件呈現(xiàn)多路演進，自主演進架構(gòu)生態(tài)加速形成，巨頭爭先搶灘布局，產(chǎn)業(yè)蘊含巨大市場潛力。與此同時，我國先進計算產(chǎn)業(yè)在開源、融合、適配、生態(tài)、技術(shù)短板等方面仍面臨問題與挑戰(zhàn)，有待盡快明確目標市場預(yù)期，強化生態(tài)遷移和適配，加速應(yīng)用落地進程，與區(qū)域共同謀劃推進部署。

一、對2021年形勢的基本判斷

（一）從技術(shù)創(chuàng)新看，器件、架構(gòu)、軟件等多路演進并行

展望2021年，先進計算將從體系結(jié)構(gòu)上進行創(chuàng)新，從器件、架構(gòu)、軟件等方向多路徑演進。器件方面，隨著數(shù)據(jù)量的激增和計算模型的復(fù)雜化，計算密度與儲能密度升級將成為算力器件部署重點。擁有高算力密度的計算系統(tǒng)將提升峰值算力及存量算力利用率；創(chuàng)新存儲架構(gòu)、強化國產(chǎn)生態(tài)適配，成為抬升存儲靈活度和生態(tài)可靠度的有效路徑。架構(gòu)方面，傳統(tǒng)以CPU為中心的架構(gòu)現(xiàn)已難以滿足海量數(shù)據(jù)處理的要求，系統(tǒng)架構(gòu)將向以內(nèi)存為中心演進。存內(nèi)計算技術(shù)已經(jīng)歷分布式緩存、內(nèi)存數(shù)據(jù)網(wǎng)格、分布式內(nèi)存數(shù)據(jù)庫和高性能、集成化、分布式內(nèi)存平臺等四大發(fā)展階段，并將持續(xù)迭代升級。基礎(chǔ)計算模式將圍繞多核并行、異構(gòu)并行、邊緣計算等體系架構(gòu)創(chuàng)新而演進。軟件布局方面，軟硬系統(tǒng)垂直整合將成為未來主流廠商布局焦點，通過軟件硬件的協(xié)同，提升系統(tǒng)應(yīng)用性能。

（二）從生態(tài)構(gòu)建看，自主演進架構(gòu)生態(tài)加速形成

在國內(nèi)計算產(chǎn)業(yè)中，市場上主流的芯片架構(gòu)有X86、ARM、RISC-V和MIPS等，并將在市場條件成熟前提下，形成適度收斂。X86架構(gòu)在技術(shù)性能和應(yīng)用生態(tài)上具有顯著優(yōu)勢，基于X86處理器市場份額已達96%，其臺式機、筆記本電腦、服務(wù)器市場份額分別為82%、84%、96%。展望2021年，我國海光、兆芯等企業(yè)將基于X86架構(gòu)推動CPU核、IP核、整機等系列產(chǎn)品自主研發(fā)體系的完善，并構(gòu)建相應(yīng)技術(shù)標準。ARM架構(gòu)在移動端和低功耗領(lǐng)域性能突出，IP授權(quán)模式已經(jīng)趨于完善，市場應(yīng)用規(guī)模持續(xù)壯大。當前我國基于ARM架構(gòu)的主流生態(tài)包括鯤鵬和PK生態(tài)，并形成了系列區(qū)域性面向諸多行業(yè)領(lǐng)域的服務(wù)器、PC整機品牌，應(yīng)用推廣密集落地，生態(tài)布局方興未艾，將在明年呈“軍團式”興起態(tài)勢。RISC-V架構(gòu)具有模塊化的特點和強大的擴展能力，能夠根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的功能指令集，主要應(yīng)用于智能穿戴設(shè)備。國內(nèi)中科院計算所、阿里平頭哥、君正、大魚半導(dǎo)體等企業(yè)已經(jīng)針對RISC-V進行戰(zhàn)略布局，有望推動RISC-V產(chǎn)業(yè)生態(tài)快速發(fā)展。

（三）從產(chǎn)業(yè)規(guī)模看，先進計算產(chǎn)業(yè)增長潛力巨大

據(jù)測算，到2025年，我國先進計算產(chǎn)業(yè)將形成16.6萬億元的整體市場規(guī)模，其中包括直接產(chǎn)業(yè)規(guī)模與輻射帶動規(guī)模［1］。先進計算直接產(chǎn)業(yè)規(guī)模包括算力、算據(jù)、算法三大維度，細分領(lǐng)域囊括電子信息制造業(yè)中的計算機制造和電子器件制造，軟件和信息服務(wù)業(yè)中的軟件產(chǎn)品、信息技術(shù)服務(wù)、嵌入式系統(tǒng)軟件、信息安全，以及互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)服務(wù)等。據(jù)測算，2019年，先進計算直接產(chǎn)業(yè)規(guī)模是5.9萬億元，到2025年將達到8.1萬億。先進計算輻射帶動規(guī)模選取對計算依賴程度較高的重點行業(yè)，包括智慧城市、工業(yè)制造、自動駕駛、智慧醫(yī)療、金融科技。2019年，輻射帶動規(guī)模為3.9萬億元，預(yù)計到2025年達到8.5萬億，實現(xiàn)翻倍增長。若擴大到更多行業(yè)，將產(chǎn)生更大的輻射規(guī)模。隨著先進計算產(chǎn)業(yè)在政府決策、技術(shù)研發(fā)及各個行業(yè)的應(yīng)用漸趨深化，其輻射帶動規(guī)模將持續(xù)擴大，為社會經(jīng)濟發(fā)展注入全新動能。

（四）從競爭態(tài)勢看，跨國巨頭爭相加大投入搶灘布局

各國科技巨頭持續(xù)加大以算力、算法、算據(jù)為核心的先進計算領(lǐng)域研發(fā)投入與前瞻布局。先進計算產(chǎn)業(yè)以應(yīng)用為導(dǎo)向，邊緣計算等高通量計算技術(shù)方興未艾。科技巨頭、設(shè)備制造商等紛紛推出邊緣計算解決方案，英特爾宣稱將加大布局從云、網(wǎng)絡(luò)到邊緣的智能技術(shù)；BlackBerry和AWS聯(lián)手創(chuàng)建邊緣到云平臺，將重點布局自動駕駛汽車領(lǐng)域的邊緣計算功能。巨頭通過制程迭代、AI加速技術(shù)助推算力崛起。英特爾宣布明年將推出Tiger Lake-H處理器支撐高性能計算需求；AMD宣布明年將推出下一代基于RDNA的高端手機GPU，擁有更高的帶寬內(nèi)存設(shè)計和計算能力。科技巨頭進軍自動駕駛，通過AI計算實現(xiàn)云端控制。高通首發(fā)Snapdragon Ride，該平臺通過云端AI計算，實現(xiàn)車道保持、交通標志識別、高速公路自動駕駛等云端控制功能，將在2023年投入市場。量子計算等非馮架構(gòu)有望延展更多應(yīng)用場景。量子通信、量子隨機數(shù)發(fā)生器、量子產(chǎn)率、量子比特數(shù)等量子科技集群式涌現(xiàn)，將成為創(chuàng)新探索焦點。谷歌宣布將在明年實現(xiàn)200個量子比特；IBM宣布擴張Q Network以推進量子計算，計劃安裝首批IBM Q System One商業(yè)通用量子計算機，以推動量子計算在多領(lǐng)域的應(yīng)用落地，明年計劃突破100個量子比特。

二、需要關(guān)注的幾個問題

（一）發(fā)展阻力一：“開源乏力”，解決開源芯片存在“碎片化”和回報模式欠缺等發(fā)展障礙

一是碎片化問題。目前先進計算市場產(chǎn)品種類繁多，各有優(yōu)勢，企業(yè)競爭優(yōu)勢不愿開發(fā)共享，互相之間標準不一，難以實現(xiàn)兼容和互操作，開源生態(tài)將難以體系化發(fā)展。二是開源回報模式不清晰。國外成熟的開源模式，大多是將開源社區(qū)和商業(yè)版本、咨詢服務(wù)相結(jié)合，同時成立各類開源基金會組織、引導(dǎo)市場形成開源規(guī)范。目前國內(nèi)開源軟件不能收費，也不能反饋到投入者，市場主體對開源的積極性得不到激發(fā)。三是開源社區(qū)維護面臨難以為繼的后續(xù)風險。開源可持續(xù)性層面，目前華為歐拉社區(qū)以開放源代碼的形式提供深度，麒麟、普華、中標等操作系統(tǒng)領(lǐng)軍企業(yè)和研究機構(gòu)進行商業(yè)發(fā)行版開發(fā)，但免費開源模式能否長期延續(xù)目前存疑，且華為能否逐步將歐拉代碼的優(yōu)化、涉及權(quán)限釋放給下游合作伙伴等問題。出口管制風險層面，由于歐拉OS操作系統(tǒng)是基于Linux系統(tǒng)內(nèi)核開發(fā)的，但Linux源代碼托管平臺尚在國外，構(gòu)成開源的潛在巨大隱患，針對此問題鯤鵬已就源代碼托管服務(wù)器放置地問題與我國包括原子基金會在內(nèi)的機構(gòu)進行磋商，但磋商結(jié)果尚未明確。

（二）發(fā)展阻力二：“轉(zhuǎn)化緩慢”，行業(yè)方法論與計算技術(shù)亟需緊密結(jié)合以推動應(yīng)用落地

先進計算產(chǎn)業(yè)技術(shù)落地面臨五大問題。一是行業(yè)機理屏障，計算技術(shù)與應(yīng)用場景結(jié)合過程中需要一定的行業(yè)或業(yè)務(wù)經(jīng)驗，這一方面對于程序開發(fā)者來說屬于知識空白領(lǐng)域。二是行業(yè)經(jīng)驗轉(zhuǎn)化能力不強，如何將行業(yè)場景和行業(yè)經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，涉及大量的專業(yè)與計算領(lǐng)域的綜合知識。三是數(shù)據(jù)匱乏，部分行業(yè)數(shù)據(jù)量有限，且存在數(shù)據(jù)源正確性和數(shù)據(jù)準確性的問題；四是計算模型泛化，針對不同場景在模型選型和算法采用上大多依靠經(jīng)驗決定。五是企業(yè)缺乏認知與信任，企業(yè)對計算技術(shù)認知不足導(dǎo)致對技術(shù)缺乏信任。計算技術(shù)與行業(yè)場景的深度融合，亟需從方法論的學(xué)習(xí)和實際場景實踐兩個方面并行推進。

（三）發(fā)展阻力三：“適配困難”，新型計算架構(gòu)在基礎(chǔ)軟件、工具軟件和應(yīng)用軟件上短板凸顯

相較Wintel聯(lián)盟強大軟件生態(tài)，ARM、RISC-V和MIPS等新型計算架構(gòu)生態(tài)無論是在工具軟件還是在應(yīng)用軟件方面均相去甚遠。基礎(chǔ)軟件方面，相對于操作系統(tǒng)領(lǐng)域的WINDOWS、LINUX、NETWARE、UNIX等，支持其他架構(gòu)的操作系統(tǒng)，無論從研發(fā)人員數(shù)量、資金實力、長期迭代下形成的產(chǎn)品族群，差距較大。例如，僅oracle一家公司基礎(chǔ)軟件投入，已超過中國所有基礎(chǔ)軟件投入從業(yè)人員。工具軟件方面，其他計算架構(gòu)生態(tài)必備的代碼遷移工具、性能優(yōu)化工具、編譯器、JDK、加速庫等工具鏈缺失，加速庫不完善，不能高效支撐開發(fā)者進行代碼遷移和系統(tǒng)性能優(yōu)化。應(yīng)用軟件方面，大量應(yīng)用軟件在向新型計算架構(gòu)平臺遷移時需要將服務(wù)進行某種形式的“重構(gòu)”［2］，需耗費大量時間、人力、物力資源和成本，且此額外成本支出與所帶來的市場收入不成比例，造成諸多軟件廠商進入市場、參與生態(tài)建設(shè)遲疑。

（四）發(fā)展阻力四：“生態(tài)偏弱”，尚未形成以核心路徑為主導(dǎo)、國內(nèi)軟硬件適配的生態(tài)體系

一是先進計算產(chǎn)業(yè)生態(tài)分散。我國先進計算產(chǎn)業(yè)亟需聚焦主流生態(tài)，當前產(chǎn)業(yè)面臨發(fā)展路徑過多，容易導(dǎo)致資源分散、浪費的問題，難以形成合力，事倍功半。二是生態(tài)均衡性差，大型企業(yè)在技術(shù)研發(fā)、應(yīng)用推廣方面的話語權(quán)強勢，牢牢掌握生態(tài)進入門檻和技術(shù)認證權(quán)，中小企業(yè)基本淪為附屬，或缺乏對產(chǎn)業(yè)生態(tài)目標的理解和支撐能力，或受到華為等龍頭企業(yè)技術(shù)路線限制，最終可能導(dǎo)致諸多中小企業(yè)潛在利益受損的風險。三是規(guī)劃布局同質(zhì)化嚴重，以鯤鵬計算生態(tài)為例，當前鯤鵬生態(tài)中地方性整機廠商已達數(shù)十家，發(fā)展戰(zhàn)略雷同和戰(zhàn)略跟風的現(xiàn)象已開始呈現(xiàn)。與此同時，鯤鵬未來市場份額達到30%的目標僅停留在愿景階段，在相對有限的市場空間中聚集大量整機品牌，必然導(dǎo)致產(chǎn)能過剩和同質(zhì)化、低附加值競爭的問題。四是缺乏政產(chǎn)學(xué)研資協(xié)同模式，當前各省市現(xiàn)金計算基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和日常運營尚未形成有效的政產(chǎn)學(xué)研資一體化的運轉(zhuǎn)機制，缺乏清晰的投資回報模式，及互利共贏、補位協(xié)同的發(fā)展路徑；地方政府對于現(xiàn)金計算對當?shù)仉娮有畔a(chǎn)業(yè)本身以及對傳統(tǒng)主導(dǎo)型產(chǎn)業(yè)輻射、提質(zhì)、帶動的作用和意義仍存在疑惑。

（五）發(fā)展阻力五：“斷供風險”，供應(yīng)鏈斷供風險可能長期伴隨先進計算產(chǎn)業(yè)發(fā)展

當前美對華為等國內(nèi)企業(yè)的封鎖圍堵持續(xù)升級，高端芯片研發(fā)設(shè)計制造、智能手機、PC等領(lǐng)域的技術(shù)管制大面積收緊。以鯤鵬生態(tài)為例，鯤鵬生態(tài)以服務(wù)器產(chǎn)品為戰(zhàn)略重點的主要原因是PC芯片的儲備有限，但即使是服務(wù)器的物料儲備，如背板和光模塊等核心元器件庫存，也難以長期維持鯤鵬、昇騰系列產(chǎn)品供給，在相關(guān)物料消耗殆盡后，生態(tài)建設(shè)仍將面臨夭折風險。當前美國大選落定，后續(xù)政策變化存在較大變數(shù)，但對中國的科技制裁仍會長期存在。

三、應(yīng)采取的對策建議

（一）加強頂層設(shè)計，盡快明確先進計算產(chǎn)業(yè)發(fā)展市場預(yù)期

一是在《先進計算產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書報告》和《先進計算項目需求指南》的基礎(chǔ)上，編制先進計算未來突破路線路，盡快研究出臺關(guān)于先進計算產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見，形成合力，明確產(chǎn)業(yè)技術(shù)、產(chǎn)品、服務(wù)和產(chǎn)業(yè)化方向，引導(dǎo)目標市場預(yù)期。二是將計算生態(tài)發(fā)展納入信息產(chǎn)業(yè)“十四五”等相關(guān)國家戰(zhàn)略中，從發(fā)展目標、財政安排、具體實施等方面予以合理、明確要求，以此向公開、非公開市場釋放強烈政策信號，推動多路徑計算架構(gòu)生態(tài)合作企業(yè)凝聚共識、豎立信心、統(tǒng)一步調(diào)、協(xié)同行動，使計算生態(tài)在未來工作推進中更有依據(jù)、更有針對性、更有力度。

（二）強化技術(shù)創(chuàng)新，加快軟件向多路徑演進的計算生態(tài)遷移和適配

一是加快建立計算產(chǎn)業(yè)共性技術(shù)體系，瞄準計算架構(gòu)與芯片、器件、算法軟件等難點、堵點集中力量攻關(guān)。支持企業(yè)開放掃描工具、代碼遷移工具、性能優(yōu)化工具和編譯器等系列關(guān)鍵工具，明確支持模式，推動應(yīng)用軟件開發(fā)者將行業(yè)應(yīng)用解決方案向信創(chuàng)計算平臺遷移。二是建立解決方案實驗室、開放實驗室和公共云等服務(wù)載體，為先進計算應(yīng)用的驗證和規(guī)模商用提供開發(fā)、測試、驗證等支撐性環(huán)境。三是進一步擴大國內(nèi)開原生態(tài)的開源程度，通過開放調(diào)優(yōu)后的處理器驅(qū)動代碼、編譯器、JDK、軟件庫等基礎(chǔ)工具，推動企業(yè)縮短基于自有計算生態(tài)商業(yè)發(fā)行版的開發(fā)周期。

（三）推進應(yīng)用落地，加速先進計算應(yīng)用軟件落地進程

一是底層架構(gòu)演進方面，深化核心基礎(chǔ)架構(gòu)的生態(tài)型示范應(yīng)用，加快多路徑演進的計算生態(tài)培育及其平行分叉的后續(xù)演進生態(tài)構(gòu)建。二是應(yīng)用軟件生態(tài)上，圍繞能源、電力、金融、電信、互聯(lián)網(wǎng)等重點領(lǐng)域應(yīng)用場景，發(fā)揮產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、開源社區(qū)、開放實驗室、行業(yè)標準組織等載體效用，開放掃描工具、代碼遷移工具、性能優(yōu)化工具和編譯器等開發(fā)套件，協(xié)助應(yīng)用軟件開發(fā)者將行業(yè)應(yīng)用解決方案向安全可控計算平臺遷移。

（四）共同謀劃推進，加強對區(qū)域發(fā)展規(guī)劃布局的窗口指導(dǎo)

一是引導(dǎo)地方創(chuàng)新中心構(gòu)建差異化的發(fā)展目標，鼓勵地方政府設(shè)計對創(chuàng)新中心的考核評價體系和考核辦法，并與國家整體先進計算發(fā)展規(guī)劃布局相契合。二是建立國內(nèi)先進計算生態(tài)在各垂直行業(yè)應(yīng)用的標準，按照“培養(yǎng)一批、成熟一批、使用一批”的發(fā)展模式，分批次推進重點行業(yè)解決方案遷移、生態(tài)體系構(gòu)建。總結(jié)成熟的建設(shè)模式、方案、流程方法形成標桿型案例，并進行復(fù)制推廣。三是在黨政市場、信創(chuàng)工程等國產(chǎn)化采購項目實施過程中，加強對包括鯤鵬在內(nèi)的信創(chuàng)產(chǎn)品測試版和商業(yè)版技術(shù)參數(shù)指標的一致性管理，避免出現(xiàn)測試樣品與產(chǎn)品實際使用情況不符問題，為鯤鵬生態(tài)的持續(xù)發(fā)展構(gòu)筑健康有序競爭環(huán)境。
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