未來計算發(fā)展演變2020

未來計算發(fā)展演變、全球競爭態(tài)勢分析與發(fā)展趨勢判斷第01講未來計算發(fā)展演變、全球競爭態(tài)勢分析與發(fā)展趨勢判斷什么是未來計算？？未來計算是人們?yōu)榱送黄颇壳坝嬎慵夹g(shù)的能力瓶頸，對現(xiàn)有計算技術(shù)持續(xù)進(jìn)行全方位創(chuàng)新而發(fā)展出來的一系列計算新原理、新材料、新器件、新設(shè)備、新算法，如高性能計算（HPC）、量子計算、認(rèn)知計算、異構(gòu)計算、類腦計算等，代表著信息技術(shù)發(fā)展前沿。未來計算是各領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展核心技術(shù)之一前沿、前野件枯朮新型計直技術(shù)：異構(gòu)計算、里子計算>神經(jīng)元計算、光子計直'深度學(xué)習(xí)等麗糾、而賺憐捋術(shù)新型計算技術(shù)：異構(gòu)混臺計算，里子計算、神經(jīng)網(wǎng)貉計算、光子計算等人工智能；類腦信息處理、灤度學(xué)習(xí)技術(shù)等前沿、師娜性仙術(shù)處理運(yùn)尊：人工智能算達(dá)那恐芯片等.虛擬現(xiàn)實(shí)第一部分：未來計算發(fā)展演變《數(shù)據(jù)爆炸凸顯計算能力瓶頸?數(shù)據(jù)爆炸增長的現(xiàn)實(shí)：?全球已經(jīng)有大約30億人聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng)。在Web2.0時代，人們不僅是信息的接受者，也是信息的生產(chǎn)者，每個人都成為了數(shù)據(jù)源，都在用智能終端拍照、錄像、發(fā)微博、發(fā)微信等?？蒲蓄I(lǐng)域歐洲粒子物理研究所的大型強(qiáng)子對撞機(jī)，每秒產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)量高達(dá)40TB。2000年斯隆數(shù)字巡天項(xiàng)目，望遠(yuǎn)鏡在短短幾周內(nèi)收集到的數(shù)據(jù)大于以前天文學(xué)歷史上的數(shù)據(jù)總和。行業(yè)應(yīng)用石油部門用地震勘探的方法來探測地質(zhì)構(gòu)造、尋找石油，使用大量傳感器采集地震波形數(shù)據(jù)。為保障高鐵運(yùn)行安全，需要在每段鐵軌周邊部署大量傳感器，感知異物、滑坡、水淹、變形、地震等異常情況。智慧城市建設(shè)平安城市：單個高清攝像頭每小時產(chǎn)生3.6GB數(shù)據(jù)，全中國攝像頭數(shù)目超過2000萬個，數(shù)據(jù)量將達(dá)到PB甚至EB級。智慧交通：民航飛機(jī)裝有大量傳感器，單個引擎每飛行1小時產(chǎn)生20TB數(shù)據(jù)，從倫敦到紐約的飛行將產(chǎn)生640TB數(shù)據(jù)；北京公交一卡通每天使用量達(dá)4千萬人次，地鐵1千萬人次，北京市交通調(diào)度中心每天的數(shù)據(jù)增量為30GB，存儲量為20TB。智能家居：國家電網(wǎng)年均產(chǎn)生數(shù)據(jù)510TB（不含視頻），累計產(chǎn)生數(shù)據(jù)5PB；單個病人的CT影像往往多達(dá)兩千幅，數(shù)據(jù)量已經(jīng)到了數(shù)十CT影像往往多達(dá)兩千幅，數(shù)據(jù)量已經(jīng)到了數(shù)十GB。?數(shù)據(jù)處理成為難題：?主要表現(xiàn)是：一是速度跟不上數(shù)據(jù)處理分析的需求；二是功耗高。三是計算算法智能性不足，無法勝任智能型的工作。U打打"打”"AM"#"""-2&-MO屮QaoisftviMiE--J13fi￡W32fi-15i^lT3Q1>2NHSOS翻昏U打打"打”"AM"#"""-2&-MO屮QaoisftviMiE--J13fi￡W32fi-15i^lT3Q1>2NHSOS翻昏Iffl?姫弟丸田對新計算技術(shù)探索持續(xù)加強(qiáng)人類提升計算能力的步伐從未停止?在數(shù)據(jù)爆炸暴露計算能力瓶頸后，人類已在多領(lǐng)域著重開展計算方面的突破和創(chuàng)新。放眼當(dāng)下，大計算時代已經(jīng)近在眼前，因此，未來計算今后十年新的轉(zhuǎn)變不僅僅是當(dāng)前計算模式下性能的逐步提升，更將是大計算模式的轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)在，人類正在計算機(jī)原理、材料、工藝、器件、設(shè)備、系統(tǒng)算法和應(yīng)用上試圖進(jìn)行全鏈條和全體系突破創(chuàng)新。

未來計算全鏈條突破概覽圖writK1HBJtn-ir未來計算全鏈條突破概覽圖writK1HBJtn-ir亂1和N91■酬*H8H-Rj甲抻葉第二部分：全球競爭態(tài)勢分析發(fā)達(dá)國家和地區(qū)強(qiáng)化領(lǐng)先優(yōu)勢美國國家戰(zhàn)略性計算計劃（NSCI）?加快開發(fā)百億億次級計算系統(tǒng)?提高建模仿真技術(shù)基礎(chǔ)與數(shù)據(jù)分析計算技術(shù)基礎(chǔ)之間的連貫性?突破半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展限制，探索未來高性能計算系統(tǒng)發(fā)展路徑?增強(qiáng)美國國家高性能計算生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展能力?構(gòu)建長效的公私合作機(jī)制，以確保政府、工業(yè)及學(xué)術(shù)界能夠最大限度地共享高性能計算項(xiàng)目的研發(fā)成果2015財年預(yù)算高端計算基礎(chǔ)設(shè)施與應(yīng)用：9.74億美元高端計算研究與開發(fā)：5.35億美元美國國防高級研究計劃局（DARPA）：2015新版規(guī)劃為未來“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”提供安全，高效、功能強(qiáng)大和通用的計算基礎(chǔ)，建立全新的、能使指揮官和作戰(zhàn)人員進(jìn)行更有效作戰(zhàn)的計算能力。國防部（DoD）：2013-2017年科技發(fā)展計劃重點(diǎn)研究量子計算，量子傳感、量子計量與量子成像，量子仿真，量子通信等技術(shù)發(fā)達(dá)國家和地區(qū)強(qiáng)化領(lǐng)先優(yōu)勢-2M：3年宿動了未來十年新興技術(shù)旗艦工程-2015年岌布嵐歐洲極限數(shù)據(jù)與計算項(xiàng)目（EXDCD3-2016年發(fā)布嵐重子宣言$?201555國技朮戰(zhàn)疇委員會岌布哎里子技朮國家戰(zhàn)疇貯?英國工程和物理科學(xué)研究委貢會成立“里子技術(shù)中己岡貉"?20160$?20160$：內(nèi)閣出臺老科學(xué)技朮創(chuàng)新綜臺戰(zhàn)^2016W妙■嗡?韓國未來創(chuàng)普科學(xué)部設(shè)立了超~級計算機(jī)開岌項(xiàng)目■20160$：文部科學(xué)省岌布“JOP項(xiàng)目"“人工智能/■丈數(shù)據(jù)/物聯(lián)網(wǎng)/■網(wǎng)絡(luò)安全綜臺【頁目"<-中國瞄準(zhǔn)“網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國”持續(xù)發(fā)力高性能計算領(lǐng)域啟動時間項(xiàng)目名稱項(xiàng)目重點(diǎn)項(xiàng)目成果2002“高性能計算機(jī)及核心軟件”強(qiáng)調(diào)資源共享與協(xié)同工作，以網(wǎng)格支持多領(lǐng)域應(yīng)用成功研發(fā)出10萬億次量級計算機(jī)和中國國家網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)床。該網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)床重點(diǎn)關(guān)注新藥發(fā)現(xiàn)、氣象應(yīng)用、地質(zhì)調(diào)查、數(shù)字林業(yè)、航空應(yīng)用、生物信息等若干網(wǎng)格應(yīng)用，包含分布在全國各地8個節(jié)點(diǎn)、聚合計算能力達(dá)到18萬億次，在2005年資源能力居世界同類國家級網(wǎng)格第二位。2006“高效能計算機(jī)與服務(wù)環(huán)4^21”境強(qiáng)調(diào)除了性能之外的開發(fā)效率、程序可移植性、系統(tǒng)的魯棒性等指標(biāo)，著重解決了環(huán)境的服務(wù)形態(tài)成功研發(fā)出了千萬億次量級計算機(jī)，分布在全國各地的14個節(jié)點(diǎn)，聚合計算能力達(dá)到了8000萬億次以上，存儲能力超過15PB,部署了450多個軟件和服務(wù)，通過網(wǎng)格應(yīng)用社區(qū)等更好地支持應(yīng)用，在2011年資源能力居世界同類環(huán)境前列。2011“高效能計算機(jī)及應(yīng)用服務(wù)環(huán)境”依托國產(chǎn)高效能計算機(jī)和國家網(wǎng)格服務(wù)環(huán)境，形成了包含全國各地15個以上超算中心和高性能計算中心，建成新藥創(chuàng)制、工業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計、數(shù)字媒體和文化創(chuàng)意三個支撐領(lǐng)域應(yīng)用的應(yīng)用社區(qū)，在新藥發(fā)現(xiàn)、氣象集合預(yù)報、科學(xué)數(shù)據(jù)、鐵路貨運(yùn)、航空工業(yè)等領(lǐng)域取得了較好效果。

時間項(xiàng)目名稱項(xiàng)目目標(biāo)2016“大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學(xué)基礎(chǔ)與分析方法”重大項(xiàng)目在大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學(xué)基礎(chǔ)方面取得突破性或關(guān)鍵性進(jìn)展，建立起若干新的理論，在大數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算模式與算法方面提出適應(yīng)異構(gòu)計算環(huán)境下分布式統(tǒng)計計算模式的系列高效算法，形成大數(shù)據(jù)處理的具有獨(dú)立自主知識產(chǎn)權(quán)的領(lǐng)先核心技術(shù)族，在結(jié)合領(lǐng)域的示范應(yīng)用方面取得突破。2016“二維碳石墨炔可控制備與性質(zhì)”重大項(xiàng)目建立高質(zhì)量二維碳石墨炔基材料大面積、高取向薄膜的可控制備方法學(xué)；實(shí)現(xiàn)二維碳石墨炔單層膜的可控合成及原子相分辨結(jié)構(gòu)探測；研究二維碳石墨炔材料的能帶與結(jié)構(gòu)調(diào)控機(jī)制、性質(zhì)與應(yīng)用；發(fā)展二維碳石墨炔的模擬、表征與理論計算的方法。通過上述研究推動石墨炔科學(xué)研究的快速發(fā)展。2016“基于互聯(lián)網(wǎng)群體智能的軟件開發(fā)方法研究”重大項(xiàng)目突破軟件開發(fā)中大規(guī)模信息的實(shí)時融合、上下文感知的實(shí)時信息推薦、語義驅(qū)動和演化驅(qū)動的群智化軟件制品構(gòu)造、海量數(shù)據(jù)驅(qū)動的群智化軟件開發(fā)效用度量和信譽(yù)機(jī)制等關(guān)鍵技術(shù)，研制支持群智化軟件開發(fā)的云服務(wù)綜合支撐平臺，實(shí)現(xiàn)對群智化軟件開發(fā)全過程的技術(shù)支撐、智能追蹤與管理，形成一個開發(fā)者過萬、軟件項(xiàng)目過百的群智化軟件開發(fā)社區(qū)。2016“互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)環(huán)境下高端裝備制造工程管理理論與方法研究”重大項(xiàng)目重點(diǎn)研究互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)環(huán)境下高端裝備制造的系統(tǒng)演變與服務(wù)化、系統(tǒng)組織與智能運(yùn)作、信息管理與智能決策等工程管理的基礎(chǔ)性科學(xué)問題，提出基礎(chǔ)理論方法；從時間、空間、任務(wù)三個維度建立互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)環(huán)境下高端裝備制造跨生命周期管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同管理、創(chuàng)新研制任務(wù)集成管理理論和方法；構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)環(huán)境下面向高端裝備制造的智能工廠運(yùn)營優(yōu)化理論和方法。2016“功能導(dǎo)向晶態(tài)材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計和可控制備”重揭示決定晶態(tài)材料宏觀性質(zhì)的功能基元及其在空間的集成方式，發(fā)展功能基元理論,深化對晶態(tài)材料功能特性和功能基元本質(zhì)的認(rèn)識;開展具有重大科學(xué)意義和應(yīng)用前景的功能晶態(tài)材料的設(shè)計、合成、制備、表征和應(yīng)用

大研究計劃探索研究,為實(shí)現(xiàn)晶態(tài)材料功能導(dǎo)向的結(jié)構(gòu)設(shè)計和可控制備提供新理論、新方法與新材料體系，推動相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。2016“高性能科學(xué)計算的基礎(chǔ)算法與可計算建?！敝卮笱芯坑媱濋_展科學(xué)計算的共性高效算法、基于機(jī)理與數(shù)據(jù)的可計算建模和問題驅(qū)動的高性能計算與算法評價研究，推動我國高性能科學(xué)計算的發(fā)展，為解決科學(xué)前沿和國家需求中的瓶頸問題提供關(guān)鍵的數(shù)值模擬技術(shù)和方法支撐。腦研究領(lǐng)域?2016年3月，中國發(fā)布的“十三五”規(guī)劃綱要將“腦科學(xué)與類腦研究”列為“科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目”，也被稱為中國“腦計劃”。?該計劃分兩個方向：以探索大腦秘密、攻克大腦疾病為導(dǎo)向的腦科學(xué)研究和以建立和發(fā)展人工智能技術(shù)為導(dǎo)向的類腦研究。?其中，腦認(rèn)知原理主要解決三個層面的問題：一是大腦對外界環(huán)境的感官認(rèn)知，即探究人類對外界環(huán)境的感知，如人的注意力、學(xué)習(xí)、記憶及決策制定等；二是對人類及非人靈長類自我意識的認(rèn)知，通過動物模型研究人類和非人靈長類的自我意識、同情心以及意識的形成；三是對語言的認(rèn)知，探究語法及廣泛的句式結(jié)構(gòu)，用以研究人工智能技術(shù)。各國未來計算戰(zhàn)略的特點(diǎn)分析1.未來計算成為高技術(shù)中的“高技術(shù)”國家和地區(qū)主要領(lǐng)域其他措施美國高性能計算、量子計算、納米計算、類腦研究、大數(shù)據(jù)針對幾百項(xiàng)石墨烯項(xiàng)目進(jìn)行資助；開展多項(xiàng)石墨烯研究；納米技術(shù)等。歐洲歐盟量子計算、高性能計算、類腦研究、大數(shù)據(jù)石墨烯英國高性能計算、量子計算、大數(shù)據(jù)石墨烯等新材料德國云計算、大數(shù)據(jù)、智能網(wǎng)絡(luò)法高性能計算、大數(shù)據(jù)、云計算

國日本人工智能、類腦研究、大數(shù)據(jù)韓國人工智能、類腦研究、大數(shù)據(jù)將石墨烯材料及產(chǎn)品定為未來革新產(chǎn)業(yè)之一2.分階段、分領(lǐng)域全方位的戰(zhàn)略部署h各國均把腦科學(xué)為代表的仿生原理硏究視為枸建新計算原理的突堿口，硏發(fā)腦計算技術(shù)具有長遠(yuǎn)戰(zhàn)昭意賓。具有長運(yùn)戰(zhàn)意文技朮應(yīng)用前景明確的技朮可直接商用化的技術(shù)對于應(yīng)用前景明確h各國均把腦科學(xué)為代表的仿生原理硏究視為枸建新計算原理的突堿口，硏發(fā)腦計算技術(shù)具有長遠(yuǎn)戰(zhàn)昭意賓。具有長運(yùn)戰(zhàn)意文技朮應(yīng)用前景明確的技朮可直接商用化的技術(shù)對于應(yīng)用前景明確、方向満晰的人工智能、里子計算等計算技術(shù)，各國重點(diǎn)快謹(jǐn)推進(jìn)技術(shù)硏發(fā)，搶占應(yīng)用制高點(diǎn)。對于揺近市場前端應(yīng)用的云計算、犬?dāng)?shù)據(jù)、高性能計負(fù)等技術(shù)，各國積極進(jìn)行產(chǎn)業(yè)布局，爭奪未來計算全球市場。3.各國重視大型計算基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)?基礎(chǔ)設(shè)施是各國展開未來計算競爭的物理載體與重要領(lǐng)域，該領(lǐng)域建設(shè)直接關(guān)系到未來計算的戰(zhàn)略目標(biāo)實(shí)現(xiàn)程度。因此，歐美各國均投入巨大資金建設(shè)國家級超算中心，并通過技術(shù)封鎖、限制出口等方式對他國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)行干擾與阻撓，企圖以基礎(chǔ)設(shè)施奠定未來計算技引領(lǐng)地位。=?TritiWf甘3農(nóng)n?^>BHwmiBOC1AC1ICMj-.Cu&hom鬲rgtoficwWaUwiaILibamlonFL-MJUifflwNLISkndhKLJBUJMUOTIEHFbjItMJ14MJUKG闔n口叭靶S^MCCUVIHhe2.DGH=?TritiWf甘3農(nóng)n?^>BHwmiBOC1AC1ICMj-.Cu&hom鬲rgtoficwWaUwiaILibamlonFL-MJUifflwNLISkndhKLJBUJMUOTIEHFbjItMJ14MJUKG闔n口叭靶S^MCCUVIHhe2.DGH1.To4u?ns?niM^氏蘭甘12畑罕yHAliSTl.lte3D1.04HSwtari-$4ip*rc?ipulinpGlFWf陽*即ShaheinIIgKC4?.SliziiH?nti1■沖亡垃AIMIpgipg^Mjipy^IP^Q1tffilwkiWuiSHATitfnuadUnh(?fi41ifdD*^i>14TbihrwtoAVRlKEPijAdvanc*?f■m-biiailtJwCofnpirtAUvratlSchiPCtgmun*O1XRM^INiibiiulLnb4Mbor)iLiwruriML4viFiwrv削*酸AJl■HlUCKln^阿xbld■卜Ifff$匚打nMtMiKshftrfo?黠3AraAjl*第三部分：未來發(fā)展形勢判斷1.大計算時代，計算能力將是基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性資源目前，信息資源已和土地、水、石油等自然資源一樣，成為生活中不可或缺的資源。但是，面對信息爆炸，計算資源和計算能力的局限，大量的信息資源無法處理。隨著信息技術(shù)、智慧城市、自媒體的不斷發(fā)展，信息的爆炸式增長只會越來越快，將計算能力提升到戰(zhàn)略高度勢在必行。近年來，以美國、歐盟、英國、日本、韓國為代表的發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體均將計算當(dāng)成基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性資源，紛紛調(diào)動政府、軍隊(duì)、高校、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)等多方資源，加快推進(jìn)前沿計算技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。2.信息產(chǎn)業(yè)屬性將從“高技術(shù)產(chǎn)業(yè)”變?yōu)椤盎A(chǔ)產(chǎn)業(yè)”憑借在性能和算法上的巨大能力，未來計算將促使信息產(chǎn)業(yè)迅猛壯大，形成大量的智能機(jī)器和高效能信息網(wǎng)絡(luò)，從而凝結(jié)出與產(chǎn)業(yè)相適應(yīng)的新型基礎(chǔ)設(shè)施，包括頂層、通用的基礎(chǔ)設(shè)施和專業(yè)、專用的基礎(chǔ)設(shè)施。在不久的將來，架構(gòu)在未來計算之上的新型信息產(chǎn)業(yè)，將改變原有“高大上”的產(chǎn)業(yè)形象，變得更加普及，支撐經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的“基礎(chǔ)性”屬性表現(xiàn)得更為強(qiáng)烈，成為“基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)”，促使制造與服務(wù)向網(wǎng)絡(luò)化、智能化、協(xié)同化的方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)變革。3.5-10年軟、硬件融合創(chuàng)新，體系化推進(jìn)趨勢明顯5-10年，未來計算將呈現(xiàn)出軟硬結(jié)合、體系化推進(jìn)的發(fā)展態(tài)勢，短期內(nèi)（五年內(nèi)）將主要延續(xù)對現(xiàn)有的信息技術(shù)（云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等）的融合、優(yōu)化與提升，并不斷出現(xiàn)創(chuàng)新亮點(diǎn)，如異構(gòu)計算、邊緣計算，感知計算、認(rèn)知計算等；中長期內(nèi)（十年內(nèi)）將可能出現(xiàn)新的硬件類突破，向著小微方向發(fā)展，如量子芯片、新型碳基材料等，