從技術(shù)體系視角看研究所科研布局
一、 建立計算技術(shù)體系的動機
計算所高舉自主創(chuàng)新大旗發(fā)展國產(chǎn)處理器20年了，依然沒有完成國家在處理器芯片上的戰(zhàn)略目標。過去的方式是單點突破，但是遇到了一些卡點，比如龍芯CPU遇到了Wintel生態(tài)卡點，寒武紀NPU遇到了NVidia生態(tài)卡點，海光CPU遇到了先進工藝卡點。所以，處理器難的不是做出一款芯片，或者實現(xiàn)一個技術(shù)指標，而是處理器生態(tài)怎么構(gòu)建，技術(shù)體系怎么可控。生態(tài)的背后是有技術(shù)體系做支撐的，需要學術(shù)界發(fā)揮作用。分析目前幾大主流生態(tài)，都是幾大部分勾連在一起，才建立起一個技術(shù)體系，比如：Wintel體系是Windows OS、Intel CPU、IDM制造互相勾連，AA體系是Android OS、Arm CPU、Foundry制造互相勾連，iPhone體系是Mobile技術(shù)、掌上PC、Industry Design互相勾連，Intel DC體系是Xeon CPU、PCIe/SATA控制器等IO標準、Linux開源軟件互相勾連，現(xiàn)在計算所在做的香山處理器也是試圖把開源芯片、Minjie設(shè)計工具、Chiplet制造互相勾連起來。技術(shù)體系比芯片單個技術(shù)更重要，只有通過建立起技術(shù)體系才能解決處理器目前的困境。
二、 建立處理器的三個技術(shù)體系
從構(gòu)建處理器生態(tài)的道路這個角度，可以把我國自主創(chuàng)新的處理器技術(shù)體系歸納成A、B、C三條發(fā)展道路。A體系為高鐵模式，我國信息化的主流平臺被X86、ARM生態(tài)所占領(lǐng)，海光、海思、飛騰等國產(chǎn)處理器的道路強調(diào)“全兼容”，浮點增強、可信計算、集成芯片等是其中控制點技術(shù)。B體系為北斗模式，這個道路強調(diào)“全自主”，以龍芯和申威為代表，不跟市場主流兼容，需要把國外控制生態(tài)上的大量應(yīng)用遷移上來，自主指令集、操作系統(tǒng)層軟硬協(xié)同優(yōu)化、應(yīng)用遷移等是其中控制點技術(shù)。龍芯公司計劃在2035年建成獨立的技術(shù)體系及生態(tài)控制點。C體系為5G模式，走“全開放”的道路，即技術(shù)體系自主創(chuàng)新，關(guān)鍵技術(shù)開源開放，全世界一起來建生態(tài)，生態(tài)價值全球共建共享，香山（睿芯/平頭哥/奕斯偉/算能）等RISC-V、寒武紀NPU、中科馭數(shù)DPU就是走的這條道路，敏捷設(shè)計的RISC-V開源處理器、NPU/DPU芯片是其中的控制點技術(shù)。
三、 智能時代的計算技術(shù)新體系
可以把計算技術(shù)的學科體系分成7層，第1層是電路，第2層是處理器，第3層是計算設(shè)備，第4層是計算系統(tǒng)，第5層是網(wǎng)絡(luò)，第6層是處理算法，第7層是計算應(yīng)用。按照7層，總結(jié)一下過去40年計算所的科研成果代表作：第1層有集成電路測試、驗證與容錯方法，第2層有龍芯CPU、寒武紀NPU，第3層有聯(lián)想PC，第4層有曙光HPC，第5層有中關(guān)村科研試驗網(wǎng)，第6層有AVS視頻編解碼與計算視覺算法，第7層有國家網(wǎng)絡(luò)關(guān)防、輿情與情報重大應(yīng)用。這些各層的科研成果在層間關(guān)聯(lián)性很弱，幾層之間的關(guān)鍵技術(shù)之間并沒有勾連在一起，屬于弱技術(shù)體系。
未來網(wǎng)絡(luò)空間的重大變化是算力將基礎(chǔ)設(shè)施化，可以從算力(Computility)的新視角來重新描述計算技術(shù)層次體系：第1層是算力組件，第2層是算力部件，第3層是算力設(shè)備，第4層是算力站，第5層是算力加工網(wǎng)，第6層是算力加工方法，第7層是算力應(yīng)用。
在智能時代，計算技術(shù)將會出現(xiàn)新的技術(shù)體系，把計算所現(xiàn)在和未來要做的重大科研方向按照上述7層進行歸納的話，即第1層是集成芯片設(shè)計方法，第2層是C體系處理器，第3層是物端計算機，第4層是高通量智能計算系統(tǒng)，第5層是信息高鐵算力網(wǎng)，第6層是大數(shù)據(jù)分析與AI算法，第7層是數(shù)據(jù)與智能驅(qū)動的重大應(yīng)用。未來這些分布在不同層的重大科研成果能不能關(guān)聯(lián)起來，通過層間關(guān)聯(lián)構(gòu)成強技術(shù)體系？依托這個強技術(shù)體系，能不能支撐我國打開新的全球化之路？
下面分別論述這7層中的重大科研方向。
1.集成芯片設(shè)計方法
第1層是集成芯片設(shè)計方法，是支撐C體系處理器設(shè)計的方法與新組件。C體系處理器面臨的挑戰(zhàn)是尺寸微縮技術(shù)道路受限，我國的先進工藝受限，需要在復雜芯片設(shè)計方法進行變革，從堆疊法變成構(gòu)造法。構(gòu)造法包括分解、組合、集成制造三部曲，重點要從集成電路變到集成芯片（分解）；從IP變到芯粒（組合）；從2D變到3D（集成制造）。其中，集成芯片設(shè)計需要新EDA工具，集成芯片需要互聯(lián)標準，集成芯片需要基本型芯粒。還需要研制一些創(chuàng)新的非馮/非硅的算力組件，包括存算一體組件、超導計算組件、光子計算組件、量子計算組件等。
2.C體系處理器
第2層是C體系處理器，為上層的物端計算機和高通量智能計算機系統(tǒng)提供處理器芯片。按照“以快打慢、以多打少”的技術(shù)理念，C體系處理器的技術(shù)路徑如圖1所示，其中作為參照物，右邊列出了軟件成功的設(shè)計方法。如果能構(gòu)造出這樣一套技術(shù)體系，就形成了跟X86、ARM很不同的一套新技術(shù)體系。
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處理器 |
軟件 |
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指令集 |
開源硬件基金會(OSH) |
開源軟件基金會(OSS) |
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虛擬化 |
體系結(jié)構(gòu)虛擬機 （CVM） |
虛機技術(shù)(KVM/JVM/Docker) |
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體系結(jié)構(gòu) |
面向?qū)ο篌w系結(jié)構(gòu)與構(gòu)件（OOA） |
面向?qū)ο笳Z言與構(gòu)件(OO) |
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IP核 |
處理器敏捷開發(fā)流程與驗證工具(Agile) |
云函數(shù)(Serverless) |
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芯粒 |
集成芯片(Chiplet) |
微服務(wù)(Micro-service) |
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SoC芯片 |
AI輔助設(shè)計與云平臺(PDA/Design Cloud) |
服務(wù)(Service) |
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制造 |
設(shè)計-制造一體化 （IDM2.0） |
開發(fā)-部署一體化(DevOps) |
圖1：C體系處理器技術(shù)路徑
計算所當前與C體系處理器相關(guān)的科研工作，包括：香山RISC-V開源CPU核、睿芯RISC-V高通量CPU、寒武紀NPU、睿芯高通量DPU和馭數(shù)網(wǎng)絡(luò)DPU、處理器敏捷開發(fā)工具、處理器AI輔助設(shè)計平臺 (PDA）、體系結(jié)構(gòu)虛擬機（CVM）。
3.物端計算機
第3層是物端計算機，作為上層的算力網(wǎng)原生應(yīng)用的客戶端，作用相當于智能手機是移動互聯(lián)網(wǎng)原生應(yīng)用的客戶端。計算系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是從固定終端和后臺的計算/數(shù)據(jù)中心，到移動終端和后臺的云計算中心，再到泛在終端和后臺的算力網(wǎng)。泛在終端的研究內(nèi)容覆蓋很廣，包括傳感器、物端計算機、泛在OS、物聯(lián)網(wǎng)、AIoT應(yīng)用等。
下面羅列計算所在開展的一些相關(guān)工作，比如：關(guān)鍵傳感器方向有海洋溫鹽傳感器、全光陀螺儀；物端計算機方向有工智機（注：一種算控融合的工業(yè)控制計算機）、彈載/星載/機載/艦載/車載專用智能計算機、物棲IoT計算機（包括物端芯片、硬幣機、物端OS、冒泡軟件組成“物棲四件套”）；關(guān)鍵泛在終端方向有第三代智能農(nóng)機 (還包括主糧種植模擬器、黑土地保護性耕作信息系統(tǒng)）、非結(jié)構(gòu)化環(huán)境自動駕駛車（應(yīng)用場景有西部高原運輸車和火星探測車）。
4.高通量智能計算系統(tǒng)
第4層是高通量智能計算系統(tǒng)，作為上一層信息高鐵算力網(wǎng)的新一代算力站。包括三個方向，分別是非圖靈計算模型、基于第三代機群架構(gòu)的高性能計算機和智能計算機。非圖靈計算模型有Ising計算模型（面向高維組合優(yōu)化問題〔NP-hard〕的近似解）、量子圖靈機計算模型等。第三代機群架構(gòu)高性能計算機又包含了三個不同系統(tǒng)，其中：高通量計算系統(tǒng)布局了高通量CPU/DPU、高通量的網(wǎng)卡/存儲系統(tǒng)等技術(shù)點；高安全等級云主機布局了內(nèi)存強安全防護、加固VEE /VMM/Linux、密態(tài)計算加速器等技術(shù)點；10EF級智能超算系統(tǒng)布局了科學智能建模方法（HPC+AI）、高性能互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)/光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、OODA智能編程框架等技術(shù)點。
第三個方向是智能計算機。從計算的視角理解，智能的本質(zhì)就是求解復雜問題的能力。智能計算機是支持用符號主義（知識工程與專家系統(tǒng)）、連接主義（神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)）、行為主義（OODA環(huán)）的方法高效求解復雜問題的通用計算機。HPC求解問題的規(guī)模大，但不等于復雜，而小規(guī)模的三體問題卻是一個復雜問題，雖然只有三個主體，它們相互作用力與軌跡的問題用性能很高的高性能計算機都求解不了?，F(xiàn)在HPC+AI方法就是對于物理系統(tǒng)里的比如量子態(tài)、電子運動等復雜過程，用數(shù)據(jù)擬合的方法化解成一個簡單問題進行求解。求解復雜問題，是智能計算機與高性能計算機的本質(zhì)區(qū)別。當前對智能計算機的探索還是非常的初級。
圖2：數(shù)據(jù)與智能驅(qū)動的科學發(fā)現(xiàn)范式
數(shù)據(jù)與智能驅(qū)動的科學發(fā)現(xiàn)范式是高性能計算發(fā)展的主要驅(qū)動力?？茖W發(fā)現(xiàn)范式的變遷如圖2，第一范式是科學實驗，依賴“大裝置”；第二范式是科學理論，依賴科學家的“大腦袋”；第三范式是科學計算，依賴“大機器”；第四范式是科學數(shù)據(jù)，依賴“大數(shù)據(jù)”；第五范式是科學智能，依賴“大實驗”。后邊三個范式都是用信息技術(shù)賦能科學發(fā)現(xiàn)，恰好對應(yīng)信息化的三個階段——數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的階段。第五范式的目標就是求解更復雜的問題，它的基本思路是用AI、大模型提供求解高維問題的快速算法，同時將科學家大腦與知識(人)、計算模型與算法(機)、實驗數(shù)據(jù)(物)，在一個信息空間里打通信息流、工作流，從而支撐科學發(fā)現(xiàn)過程高效地快速迭代與演化。
圖3：服務(wù)重大科學發(fā)現(xiàn)的“大實驗”
體現(xiàn)第五范式理念的“大實驗”架構(gòu)如圖3，位于中間的算力網(wǎng)，是“人機物”三元世界的連接點；在“物”的維度，把重大科學裝置提供科學數(shù)據(jù)的對象化，以備傳輸與處理；在“機”的維度，智能超算系統(tǒng)為科學智能方法提供計算支撐，把傳統(tǒng)的物理建模手段，和增加的智能建模手段，融合在一個問題求解過程里。在“人”的維度，科學家的工作臺建立起知識庫、算法倉庫、模型倉庫，提供低門檻的開發(fā)工具和一體化的試驗環(huán)境。它們加在一起就是“大實驗”。
5.信息高鐵算力網(wǎng)
第5層是信息高鐵算力網(wǎng)，作為上層智能算法與重大應(yīng)用的新型基礎(chǔ)設(shè)施。ChatGPT大模型就是模型的基礎(chǔ)設(shè)施化，可以用API調(diào)用的方式使用。如圖4所示，算力網(wǎng)是給上層智能數(shù)據(jù)和智能驅(qū)動的計算范式提供的一個基礎(chǔ)設(shè)施，跟互聯(lián)網(wǎng)是不同的?；ヂ?lián)網(wǎng)是基礎(chǔ)的平臺，TCP/IP實現(xiàn)了全球數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通， WWW（信息網(wǎng)）實現(xiàn)了全球信息的互聯(lián)互通，而算力網(wǎng)是把算法組件、數(shù)據(jù)對象、算力容器三合一的基礎(chǔ)設(shè)施，應(yīng)用以算力網(wǎng)頁的方式使用并網(wǎng)的算力站，算力網(wǎng)頁可以同時對云、網(wǎng)絡(luò)、算力服務(wù)質(zhì)量進行軟件定義。
計算所布局的信息高鐵算力網(wǎng)實現(xiàn)六個核心技術(shù)：多云統(tǒng)一、站網(wǎng)分離、變租為用、網(wǎng)程抽象、單一計量、質(zhì)量測度。網(wǎng)絡(luò)底層的工作包括面向萬物互聯(lián)的寬帶衛(wèi)星網(wǎng)、工業(yè)5G網(wǎng)，原生地支撐算力基礎(chǔ)設(shè)施的CENI試驗網(wǎng)。信息高鐵算力網(wǎng)的特征是高通量和低熵，其中高通量是針對用戶表現(xiàn)，低熵是針對體系結(jié)構(gòu)。
圖4：信息網(wǎng) vs 算力網(wǎng)
6.大數(shù)據(jù)分析與AI算法
第6層是大數(shù)據(jù)分析與AI算法，支撐上層的重大應(yīng)用。在這方面對計算所的挑戰(zhàn)是怎么把碎片化的眾多算法創(chuàng)新凝聚成“稠密子圖”，其中有三個關(guān)鍵詞比較重要：云原生、廣譜關(guān)聯(lián)、X-數(shù)據(jù)。算法只有云化，AI模型只有服務(wù)化（MaaS），才能在信息高鐵算力網(wǎng)上被作為組件調(diào)用，才能跟算力基礎(chǔ)設(shè)施層勾連在一起，才能實現(xiàn)大數(shù)據(jù)、智能算法的規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。計算所布局的天璣廣譜關(guān)聯(lián)大數(shù)據(jù)分析引擎必須云化，面向健康的智能算法、聯(lián)邦模型也必須云化。廣譜關(guān)聯(lián)和X-數(shù)據(jù)是計算所在數(shù)據(jù)分析上有特色的科研工作。
下面探討一下解決我國產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型痛點問題的路徑。圖5的橫坐標是問題的規(guī)模和場景，縱坐標是開發(fā)者要求，越往上對開發(fā)者要求越高，這兩個維度是決定產(chǎn)業(yè)規(guī)模的核心要素。四個象限中，右上角的象限是互聯(lián)網(wǎng)平臺經(jīng)濟，中國和美國都強，美國是依靠技術(shù)紅利，中國是依靠人口紅利、人才虹吸效應(yīng)。對角線的左下角象限是信息管理系統(tǒng)(MIS)，是中國強、美國弱。信息化項目碎片化，而且無需深度領(lǐng)域知識支持，沒有算法挑戰(zhàn)，利潤低，所以美國把這部分外包給中國和印度了。左上角的象限是當前數(shù)字經(jīng)濟的主戰(zhàn)場，包括大數(shù)據(jù)、AI和工業(yè)智能，需要技術(shù)紅利和高級人才紅利，這部分是美國強、中國弱。美國有大量的高端人才，而中國是工程師總量大，高端人才少。對角線右下角的象限，可以成為智能時代的中國道路，即把算力、數(shù)據(jù)、算法基礎(chǔ)設(shè)施化，形成規(guī)模效應(yīng)，通過算力網(wǎng)頁等技術(shù)支持行業(yè)應(yīng)用的低門檻二次開發(fā)，利用中國的數(shù)字新基建規(guī)模紅利和工程師紅利，做大做強產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。
7. 數(shù)據(jù)與智能驅(qū)動的重大應(yīng)用
第7層是數(shù)據(jù)與智能驅(qū)動的重大應(yīng)用，是計算技術(shù)發(fā)展的新驅(qū)動力，也是計算技術(shù)新體系的試驗場。在安全領(lǐng)域，計算所的布局是從網(wǎng)絡(luò)安全（網(wǎng)絡(luò)關(guān)防），到信息安全（輿情/情報），再到智能算法安全，將來要形成智能算法安全的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)體系。未來重大應(yīng)用的建模對象，如權(quán)力運行、疾病的分子機理、主糧作物生長、社會輿論、軍事對抗過程、工業(yè)生產(chǎn)流程等復雜系統(tǒng)，其數(shù)字建模需要新的理論與方法，這部分是技術(shù)難題。計算所目前布局的重大應(yīng)用包括：智能宣傳、智能情報、數(shù)字內(nèi)容深偽檢測、大數(shù)據(jù)監(jiān)督、蛋白質(zhì)人工設(shè)計等。
四、總結(jié)
信息技術(shù)要向5G、高鐵、北斗學習，努力建立高水平自立自強的計算技術(shù)新體系。展望2035年，圍繞系統(tǒng)熵建立起計算系統(tǒng)中不確定性的理論與方法是一個學術(shù)挑戰(zhàn)；發(fā)展出通用Z級智能計算的新技術(shù)是一個工程技術(shù)挑戰(zhàn)；實現(xiàn)算力新容器、數(shù)據(jù)對象、算法模型三位一體的新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施——算力網(wǎng)，將我國信息賦能的效率提高一個數(shù)量級，是一個應(yīng)用技術(shù)挑戰(zhàn)。
(根據(jù)孫凝暉院士在2023年計算所春季戰(zhàn)略規(guī)劃會上的報告整理)