2024年通用计算根技术发展与应用白皮书

通用计算根技术发展 与应用白皮书 WhitePaperontheDevelopmentandApplicationofUniversalComputingRootTechnology 信百会研究院 RESEARCHINSTITUTEOFCHINAINFO1OO 中国科学院大学 网络创新与发展研究中心 2024年9月 从1946年世界上第一台电子计算机ENIAC诞生开始，信息技术不断加速发展，经历了多个发展阶段，已成为一个庞大的技术体系。信息产品和服务在技术驱动和应用拉动的双重作用下，造就了无数商业奇迹，创造了巨大的经济价值。信息产业成为最重要的产业门类之一，丰富和拓展了人类经济活动的历史和边界。信息技术的应用由浅入深，各种信息产品从辅助人的计算劳动，发展到能够辅助或替代部分人的智力劳动和决策活动。时至今日，算力建设风起云涌，计算从促进生产力的工具，正在逐步转变为新质生产力本身。信息化进程波澜壮阔，一个以计算能力为基础的感知万物、连接万物、为万物赋智的智能时代正加速到来，日益清晰地出现在我们眼前。 01通用计算是信息技术发展进步的主轴 在计算技术发展的历程中，始终存在着通用和专用两种产品定位和研发导向。专用计算的优点是对特定问题计算效率高、工作更快、功耗更低，而缺点在于灵活性不足，仅适用于一种场景，应用范围窄。早期的电子计算机都是为特定算法量身定制的，很难适应其他算法。比如ENIAC虽然在理论上是通用计算机，但它主要用于计算火炮的弹道射程表，如果需要计算不同的问题，就必须依靠人工调整接线来改变电路结构。冯·诺依曼架构的出现改变了这种局面，使计算机可以在通用硬件平台上执行多种不同的算法，奠定了通用计算的基础。通用计算的优点是实现了软件和硬件的解耦。硬件工程师可以不用关心具体场景，集中精力做好处理器的微架构和实现；软件工程师可以不用关心硬件细节，专注于软件编程，从而降低了开发的难度，使得软硬件都能实现轻装上阵。 2017年图灵奖的获得者JohnHennessy和DavidPatterson曾提出计算机体系结构的五个时代，即晶体管无指令集时代、小规模和中等规模集成电路时代指令集架构出现、大规模和超大规模集成电路时代CISC和RISC的竞争、超大规模集成电路的多核处理器并行时代、超大规模的领域专用处理器（DSA）时代。从这个阶段划分可以看到，从大规模集成电路时代开始，通用计算就成为整个计算技术发展的主线，占据了压倒性的优势。这是供应和需求两方在技术、成本等多种现实因素约束下共同做出的最优选择，并在此基础上构建了今天体量庞大蓬勃兴盛的信息技术产业群。 回顾信息技术产业的发展历程，没有任何一个理论，能比1965年提出的摩尔定律更准确地刻画了通用计算产业发展的基本特征，更深刻地揭示了通用计算发展的内在机制。产业界沿着摩尔定律的预期和愿景经历了几十年的快速增长，晶体管密度和处理器性能获得了数百亿倍的提升，造就了一代又一代通用计算发展高峰，使得信息技术的革命性作用成为可能。美国麻省理工学院NeilC.Thompson认为，计算技术是美国繁荣的最大贡献者之一，自1974年以来美国总生产力增长的三分之一来自信息技术，没有任何其它技术的进步速度和带动作用能与之相比。 摩尔定律是通用计算发展的主线，但如果只有计算性能的提升，还不足以支撑通用计算的成功。通用计算的发展并非是一个线性增长的直线进程，而是与专用计算密切关联不断交会互促互鉴。1987年，原日立公司 总工程师牧本次生(TsugioMakimoto)提出，集成电路发展过程中，芯片产品总是在“标准化”与“定制化”之间交替摆动，大概每十年波动一次。牧本波动（Makimoto'sWave）揭示了产业界始终在围绕计算的性能、功耗、适用性和灵活性等各方面能力的提升进行多方面的探索，并最终体现为通用计算的功能不断丰富，技术升级换代，多种路线并存，成为全球信息化发展的技术底座。 02通用计算已成为大国满足发展和安全需求的竞争焦点 从现代经济增长理论的视角看，技术进步是经济增长的源泉之一，而长期的经济增长是由少数几种关键技术所推动的，这也就是斯坦福大学Bresnahan和特拉维夫大学Trajtenberg在1992年首次提出的通用目的技术 （GeneralPurposeTechnology，简称GPT）。区别于仅用于某些具体用途的专用目的技术（SpecificPurposeTechnology），GPT的应用范围通常十分广泛，因而它们对经济的作用是整体性的。例如，蒸汽机、电力技术、计算机就是最典型的通用目的技术。 通用目的技术有三个基本特性。一是普遍适用性(Pervasiveness)，指该技术能广泛应用到各行各业，不存在明显的局限。二是动态演进性(TechnologicalDynamism)，指该技术具有很大的发展空间和很快的进步速度，同时随着时间的推移，使用成本不断降低。三是创新互补性(InnovationalComplementarities)，指该技术在提高了应用部门的研发效率和生产收益之后，还会反过来促进该技术自身的进步，形成互相促进的良性循环。 对照经济学视角的分析，我们可以看出，在计算机技术体系中，正是通用计算技术最符合通用目的技术的以上特征。这很好地解释了为什么是通用计算路线成为了迄今计算技术发展的主流和基础，而且只要通用计算技术继续保持不断自我革新，不断丰富完善保持竞争力，还将成为未来计算机技术发展的中流砥柱，为经济增长带来动力。 在信息技术产业发展的大部分时间里，技术的发展和产业的兴盛主要发生在美国，美国成为全球主要的信息技术产品和服务供应方。总体来看美国信息技术产业发展的模式，可以总结为在开放环境下面向前沿问题，集聚全球人才、依靠全球资源、占据全球市场、获取全球红利。近年来随着全球化和信息化发展出现新的形势，美国继续靠这种开放条件下的发展战略来维持领先地位遇到了一些困难和挑战，也就带来了美国向产业政策的转变和回归，主要体现在直接干预经济活动的政策明显增多，以推动产业本土化和加强供应链韧性与安全为主要目标。 改革开放以来，我国充分抓住了全球产业分工重组的机会融入全球经济体系中，以前无古人的方式很好地发挥了自己的作用，为全球的经济繁荣作出了巨大的贡献，成为世界经济体系中不可或缺的重要一环。与此同时，我们敏锐地抓住了信息化发展的机会，利用信息技术的经济增长倍增器、发展方式转换器和产业升级助推器的作用有效提升了增长速度、改善了经济结构，提升了发展质量。我国已成长为全球第二大经济体，也培育出了极具竞争力的信息技术产业，拥有了一批全球知名的企业，为满足这些企业向产业链、价值链上游的提升，进入通用计算根技术领域是产业界在市场规律作用下自然而然的选择。 美国产业政策的回归和复兴对各国起到了示范带动效应，欧盟、英国、日本等西方国家和地区也纷纷出台产业政策，通用计算技术已成为世界各国从发展和安全角度双重关注的焦点。在具体措施上，各国也都采取了自由市场和产业政策两手并重的策略。我国作为后发的国家，更是需要将发展和安全统筹起来考虑，探索产业政策配置资源和市场化配置资源两种方式的更有效融合，加快取得通用计算技术的突破，有效保障我国的发展空间和产业安全。 03以通用计算突破带动我国快速进入信息化高质量发展新时代 自从2018年特朗普政府对我国发起贸易战以来，社会各界提出了很多观点。对于中国这样一个市场规模巨大、产业门类齐全、治理能力完备的经济体来说，外界环境的影响是次要的，真正决定中国发展成败的是我们是否能围绕自身发展需求制定正确目标，集中一切可利用的资源办好自己的事。经过几年来的实践，越来越多的人认识到，无论国外是否对我们进行打压，中国自身的发展需求和安全需求都要求我们必须掌握通用计算根技术。国外的打压并不是我们进入通用计算领域的主要原因，而只是加快了这一进程，断供措施也不是阻碍我们发展通用计算根技术的根本困难，而只是起到了减缓进步速度的效果。基于以上这些认识，我们就能在讨论通用计算技术发展的问题时，保持一种客观、务实、坚定、自信的心态，以我为主地制定计划采取措施，避免被外界因素主导，避免被急躁或悲观情绪影响，避免做出单一、片面、极端的判断。 信息技术在我国广泛应用带来的变化，一言以蔽之，就是加速走向信息化时代。我国发展面临的主要课题，就是如何更好利用信息技术的机遇、驾驭信息化发展带来的冲击和变革，加快我们发展的步伐。我国信息化建设始于上世纪八十年代，从起步阶段的三金工程，到“开发信息资源，服务四化建设”，从“四个现代化，哪一化都离不开信息化”，到“五化并举，两化融合”，走过了一条认识不断加深，效果不断凸显，不断超越局限的路径。 2014年中央网络安全和信息化领导小组第一次会议上，习近平总书记提出“努力把我国建设成为网络强国”的目标，指出“没有网络安全就没有国家安全，没有信息化就没有现代化”。2018年在全国网络安全和信息化工作会议上，习近平总书记指出：“从社会发展史看，人类经历了农业革命、工业革命，正在经历信息革命”“信息化为中华民族带来了千载难逢的机遇”“我们必须抓住信息化发展的历史机遇"。这一系列重要论述，奏响了对信息化发展认识的时代最强音。 从工业革命的视角来认识信息化，首先离不开源头的科技革命，只有在科技革命中抢占先机，使得生产力和经济水平得到大发展，才能跻身强国之列。对应于信息化时代的革命性技术突破，其源头和根本无疑是通用计算技术。过去几十年我国推动信息化发展的历程如果说还有什么不足，那就是主要依赖引进的西方技术，一定程度上影响了各界以信息化来实现现代化的信心和决心。在未来的信息化时代，通过增强通用计算领域的话语权，做出原生贡献，将最有力地提升举国上下发展信息化的决心和信心，引领我国信息化发展进入原生新时代。 ——信百会研究院专家指导委员会主任，原工业和信息化部副部长杨学山 在人类历史发展过程中，我们在不断地认识和改造这个世界。技术的突破和创新，是驱动各个行业健康发展的原动力。我们会想起对各个行业都产生深远影响的一些通用技术。比如驱动第一次工业革命的蒸汽机技术，驱动第二次工业革命的电力技术，驱动第三次工业革命的计算机技术。这些通用技术是驱动工业革命的核心动力，它不单能够产生巨大的增量市场，同时也会对当前各个行业的边界和社会分工的秩序产生决定性的影响。 我们正身处一个前所未有的数字化时代，随着技术的迅猛发展并落地，需要加速推进人工智能走深向实，服务多行业智能化升级。2023年，中共中央、国务院印发了《数字中国建设整体布局规划》的发布，标志着中国迈向一个全新的智算时代，这个时代以更高效的计算、更智能的推理和更敏捷的内容生成为核心，重新定义了生产力和生产组织形态。计算成为产业发展的新质生产力，带来新价值的创造，通用计算作为智能世界的基石，发挥着关键作用。 数字技术的广泛应用也带来了基础设施的升级。新的技术设施正在逐步建立和完善，包括云计算、大数据、物联网等。这些基础设施的发展为人工智能提供了强大的支撑，使得AI技术能够更好地应用到实际场景中，实现更高效、更智能的生产和服务。通用计算是智能计算的基础，通用计算的深度和广度决定其发展的高度和速度，未来两者融合将是重要趋势。 鲲鹏已成为中国数字化转型、智能化升级首选，覆盖全行业对通用计算需求，构筑自主创新的ICT数字基础设施算力底座。华为聚焦在自己擅长的产品技术领域，深耕“根”技术；同时发展“根”生态，聚合伙伴，实现与伙伴的协同合作、共同增长，共赢智能时代的大机遇。 我们期待“通用计算根技术”能够像参天大树的根系一样，深埋土壤，牢牢支撑智能世界的繁盛。希望通过本白皮书，能够为学术界、产业界乃至政策制定者提供有价值的参考和启示，共同开启计算技术新的篇章，为更先进的世界而计算。 ——华为董事、ICT产品与解决方案总裁杨超斌 放眼当下，第四次工业革命的大潮方兴未艾，数字化和智能化成为这一轮产业革命的“双引擎”。随着数字化转型深入行业，计算技术已成为推动社会进步和经