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從技術(shù)體系視角看研究所科研布局

  一、 建立計(jì)算技術(shù)體系的動(dòng)機(jī) 

  計(jì)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(biāo)。過去的方式是單點(diǎn)突破,但是遇到了一些卡點(diǎn),比如龍芯CPU遇到了Wintel生態(tài)卡點(diǎn),寒武紀(jì)NPU遇到了NVidia生態(tài)卡點(diǎn),海光CPU遇到了先進(jìn)工藝卡點(diǎn)。所以,處理器難的不是做出一款芯片,或者實(shí)現(xiàn)一個(gè)技術(shù)指標(biāo),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(xué)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(gè)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PCIndustry Design互相勾連,Intel DC體系是Xeon CPU、PCIe/SATA控制器等IO標(biāo)準(zhǔn)、Linux開源軟件互相勾連,現(xiàn)在計(jì)算所在做的香山處理器也是試圖把開源芯片、Minjie設(shè)計(jì)工具、Chiplet制造互相勾連起來。技術(shù)體系比芯片單個(gè)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(gè)技術(shù)體系 

  從構(gòu)建處理器生態(tài)的道路這個(gè)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、BC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(tái)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(qiáng)調(diào)“全兼容”,浮點(diǎn)增強(qiáng)、可信計(jì)算、集成芯片等是其中控制點(diǎn)技術(shù)。B體系為北斗模式,這個(gè)道路強(qiáng)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(diǎn)技術(shù)。龍芯公司計(jì)劃在2035年建成獨(dú)立的技術(shù)體系及生態(tài)控制點(diǎn)。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(jià)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(jì)NPU、中科馭數(shù)DPU就是走的這條道路,敏捷設(shè)計(jì)的RISC-V開源處理器、NPU/DPU芯片是其中的控制點(diǎn)技術(shù)。 

  三、 智能時(shí)代的計(jì)算技術(shù)新體系 

  可以把計(jì)算技術(shù)的學(xué)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(jì)算設(shè)備,第4層是計(jì)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(jì)算應(yīng)用。按照7層,總結(jié)一下過去40年計(jì)算所的科研成果代表作:第1層有集成電路測試、驗(yàn)證與容錯(cuò)方法,第2層有龍芯CPU、寒武紀(jì)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(yàn)網(wǎng),第6層有AVS視頻編解碼與計(jì)算視覺算法,第7層有國家網(wǎng)絡(luò)關(guān)防、輿情與情報(bào)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(jì)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(shí)代,計(jì)算技術(shù)將會(huì)出現(xiàn)新的技術(shù)體系,把計(jì)算所現(xiàn)在和未來要做的重大科研方向按照上述7層進(jìn)行歸納的話,即第1層是集成芯片設(shè)計(jì)方法,第2層是C體系處理器,第3層是物端計(jì)算機(jī),第4層是高通量智能計(jì)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(dòng)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(qiáng)技術(shù)體系?依托這個(gè)強(qiáng)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(jì)方法 

  1層是集成芯片設(shè)計(jì)方法,是支撐C體系處理器設(shè)計(jì)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(jìn)工藝受限,需要在復(fù)雜芯片設(shè)計(jì)方法進(jìn)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(diǎn)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(jì)需要新EDA工具,集成芯片需要互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn),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(dǎo)計(jì)算組件、光子計(jì)算組件、量子計(jì)算組件等。 

  2.C體系處理器 

  2層是C體系處理器,為上層的物端計(jì)算機(jī)和高通量智能計(jì)算機(jī)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(jì)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。 

 

處理器

軟件

指令集

開源硬件基金會(huì)(OSH)         

開源軟件基金會(huì)(OSS)

虛擬化

體系結(jié)構(gòu)虛擬機(jī) (CVM       

虛機(jī)技術(shù)(KVM/JVM/Docker)

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)

IP

處理器敏捷開發(fā)流程與驗(yàn)證工具(Agile)            

云函數(shù)(Serverless)

芯粒

集成芯片(Chiplet)                    

微服務(wù)(Micro-service)

SoC芯片 

AI輔助設(shè)計(jì)與云平臺(tái)(PDA/Design Cloud)          

服務(wù)(Service)

制造

設(shè)計(jì)-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(jì)算所當(dāng)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(jì)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(jì)平臺(tái) (PDA)、體系結(jié)構(gòu)虛擬機(jī)(CVM)。 

  3.物端計(jì)算機(jī) 

  3層是物端計(jì)算機(jī),作為上層的算力網(wǎng)原生應(yīng)用的客戶端,作用相當(dāng)于智能手機(jī)是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)原生應(yīng)用的客戶端。計(jì)算系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是從固定終端和后臺(tái)的計(jì)算/數(shù)據(jù)中心,到移動(dòng)終端和后臺(tái)的云計(jì)算中心,再到泛在終端和后臺(tái)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(jì)算機(jī)、泛在OS、物聯(lián)網(wǎng)、AIoT應(yīng)用等。 

  下面羅列計(jì)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(jì)算機(jī)方向有工智機(jī)(注:一種算控融合的工業(yè)控制計(jì)算機(jī))、彈載/星載/機(jī)載/艦載/車載專用智能計(jì)算機(jī)、物棲IoT計(jì)算機(jī)(包括物端芯片、硬幣機(jī)、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(jī) (還包括主糧種植模擬器、黑土地保護(hù)性耕作信息系統(tǒng))、非結(jié)構(gòu)化環(huán)境自動(dòng)駕駛車(應(yīng)用場景有西部高原運(yùn)輸車和火星探測車)。 

  4.高通量智能計(jì)算系統(tǒng) 

  4層是高通量智能計(jì)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(gè)方向,分別是非圖靈計(jì)算模型、基于第三代機(jī)群架構(gòu)的高性能計(jì)算機(jī)和智能計(jì)算機(jī)。非圖靈計(jì)算模型有Ising計(jì)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(jī)計(jì)算模型等。第三代機(jī)群架構(gòu)高性能計(jì)算機(jī)又包含了三個(gè)不同系統(tǒng),其中:高通量計(jì)算系統(tǒng)布局了高通量CPU/DPU、高通量的網(wǎng)卡/存儲(chǔ)系統(tǒng)等技術(shù)點(diǎn);高安全等級(jí)云主機(jī)布局了內(nèi)存強(qiáng)安全防護(hù)、加固VEE /VMM/Linux、密態(tài)計(jì)算加速器等技術(shù)點(diǎn);10EF級(jí)智能超算系統(tǒng)布局了科學(xué)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(diǎn)。 

  第三個(gè)方向是智能計(jì)算機(jī)。從計(jì)算的視角理解,智能的本質(zhì)就是求解復(fù)雜問題的能力。智能計(jì)算機(jī)是支持用符號(hào)主義(知識(shí)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(fù)雜問題的通用計(jì)算機(jī)。HPC求解問題的規(guī)模大,但不等于復(fù)雜,而小規(guī)模的三體問題卻是一個(gè)復(fù)雜問題,雖然只有三個(gè)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(jì)算機(jī)都求解不了。現(xiàn)在HPC+AI方法就是對(duì)于物理系統(tǒng)里的比如量子態(tài)、電子運(yùn)動(dòng)等復(fù)雜過程,用數(shù)據(jù)擬合的方法化解成一個(gè)簡單問題進(jìn)行求解。求解復(fù)雜問題,是智能計(jì)算機(jī)與高性能計(jì)算機(jī)的本質(zhì)區(qū)別。當(dāng)前對(duì)智能計(jì)算機(jī)的探索還是非常的初級(jí)。 

2:數(shù)據(jù)與智能驅(qū)動(dòng)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)范式 

  數(shù)據(jù)與智能驅(qū)動(dòng)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)范式是高性能計(jì)算發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力??茖W(xué)發(fā)現(xiàn)范式的變遷如圖2,第一范式是科學(xué)實(shí)驗(yàn),依賴“大裝置”;第二范式是科學(xué)理論,依賴科學(xué)家的“大腦袋”;第三范式是科學(xué)計(jì)算,依賴“大機(jī)器”;第四范式是科學(xué)數(shù)據(jù),依賴“大數(shù)據(jù)”;第五范式是科學(xué)智能,依賴“大實(shí)驗(yàn)”。后邊三個(gè)范式都是用信息技術(shù)賦能科學(xué)發(fā)現(xiàn),恰好對(duì)應(yīng)信息化的三個(gè)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(biāo)就是求解更復(fù)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(shí)將科學(xué)家大腦與知識(shí)()、計(jì)算模型與算法(機(jī))、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(),在一個(gè)信息空間里打通信息流、工作流,從而支撐科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程高效地快速迭代與演化。 


3:服務(wù)重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的“大實(shí)驗(yàn)” 

  體現(xiàn)第五范式理念的“大實(shí)驗(yàn)”架構(gòu)如圖3,位于中間的算力網(wǎng),是“人機(jī)物”三元世界的連接點(diǎn);在“物”的維度,把重大科學(xué)裝置提供科學(xué)數(shù)據(jù)的對(duì)象化,以備傳輸與處理;在“機(jī)”的維度,智能超算系統(tǒng)為科學(xué)智能方法提供計(jì)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(gè)問題求解過程里。在“人”的維度,科學(xué)家的工作臺(tái)建立起知識(shí)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(yàn)環(huán)境。它們加在一起就是“大實(shí)驗(yàn)”。 

  5.信息高鐵算力網(wǎng) 

  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(dòng)的計(jì)算范式提供的一個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施,跟互聯(lián)網(wǎng)是不同的。互聯(lián)網(wǎng)是基礎(chǔ)的平臺(tái),TCP/IP實(shí)現(xiàn)了全球數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通, WWW(信息網(wǎng))實(shí)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(duì)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(shí)對(duì)云、網(wǎng)絡(luò)、算力服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行軟件定義。 

  計(jì)算所布局的信息高鐵算力網(wǎng)實(shí)現(xiàn)六個(gè)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(jì)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(yàn)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(duì)用戶表現(xiàn),低熵是針對(duì)體系結(jié)構(gòu)。 


4:信息網(wǎng) vs 算力網(wǎng) 

  6.大數(shù)據(jù)分析與AI算法 

  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(duì)計(jì)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(gè)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(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)、智能算法的規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。計(jì)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(jì)算所在數(shù)據(jù)分析上有特色的科研工作。 

 

5:解決我國產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型痛點(diǎn)問題的路徑 

 

  下面探討一下解決我國產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型痛點(diǎn)問題的路徑。圖5的橫坐標(biāo)是問題的規(guī)模和場景,縱坐標(biāo)是開發(fā)者要求,越往上對(duì)開發(fā)者要求越高,這兩個(gè)維度是決定產(chǎn)業(yè)規(guī)模的核心要素。四個(gè)象限中,右上角的象限是互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)經(jīng)濟(jì),中國和美國都強(qiáng),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(duì)角線的左下角象限是信息管理系統(tǒng)(MIS),是中國強(qiáng)、美國弱。信息化項(xiàng)目碎片化,而且無需深度領(lǐng)域知識(shí)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(dāng)前數(shù)字經(jīng)濟(jì)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(jí)人才紅利,這部分是美國強(qiáng)、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(duì)角線右下角的象限,可以成為智能時(shí)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(qiáng)產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。 

  7. 數(shù)據(jù)與智能驅(qū)動(dòng)的重大應(yīng)用 

  7層是數(shù)據(jù)與智能驅(qū)動(dòng)的重大應(yīng)用,是計(jì)算技術(shù)發(fā)展的新驅(qū)動(dòng)力,也是計(jì)算技術(shù)新體系的試驗(yàn)場。在安全領(lǐng)域,計(jì)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(bào)),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(duì)象,如權(quán)力運(yùn)行、疾病的分子機(jī)理、主糧作物生長、社會(huì)輿論、軍事對(duì)抗過程、工業(yè)生產(chǎn)流程等復(fù)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(jì)算所目前布局的重大應(yīng)用包括:智能宣傳、智能情報(bào)、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(jì)等。 

  四、總結(jié) 

  信息技術(shù)要向5G、高鐵、北斗學(xué)習(xí),努力建立高水平自立自強(qiáng)的計(jì)算技術(shù)新體系。展望2035年,圍繞系統(tǒng)熵建立起計(jì)算系統(tǒng)中不確定性的理論與方法是一個(gè)學(xué)術(shù)挑戰(zhàn);發(fā)展出通用Z級(jí)智能計(jì)算的新技術(shù)是一個(gè)工程技術(shù)挑戰(zhàn);實(shí)現(xiàn)算力新容器、數(shù)據(jù)對(duì)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(gè)數(shù)量級(jí),是一個(gè)應(yīng)用技術(shù)挑戰(zhàn)。 

 (根據(jù)孫凝暉院士在2023年計(jì)算所春季戰(zhàn)略規(guī)劃會(huì)上的報(bào)告整理) 

附件:
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