中国电子信息产业发展研究院
尽管先进计算具有极强的产业带动作用，但是随着传统产业的智能化实践逐步深入，单点应用的模式将难以满足用户的智能化预期，先进计算技术需要围绕应用场景需求进一步下沉，通过产业智能化重塑与实体经济深度融合，完成从供给侧的技术驱动导向转向需求侧的场景化应用主导转型。
发展先进计算对加快经济社会发展、重塑产业竞争优势具有重要战略意义。从全球看，世界多国*府、高校、科研机构、市场主体等正加速推进先进计算领域的基础研究、应用研究和前沿布局。从国内看，我国先进计算产业在基础理论方面、芯片技术方面、计算系统方面、企业布局方面已积累了一定量级的底层储备，在大国大市场和国家治理现代化的背景下拥有广阔的市场空间。
全球先进计算发展状况
从驱动因素看，数据增长和行业需求提供内外动力。
在5G、人工智能、物联网、云计算等技术融合发展的背景下，全球数据量正在迎来新一轮的爆发式增长。全球非传统及非结构化的数据正在数量、种类上相互叠加、交错、倍增，形成多维度、多层次、多向度的数据网。据IDC预测，全球数据流量将从年的33ZB增长至年的ZB（泽字节）。与此同时，应用场景的多样化将使得数据存储、数据传输、数据处理需求呈指数级增长。物联网方面，将传统的人与人之间的连接扩展到万物互联的同时，其数据的海量性、多态性、异构性、时效性对边缘计算提出了更高的要求。人工智能方面，对于计算力的需求加速提升，远远超出了通用计算技术的发展水平，GPU、NPU、众核、FPGA、ASIC等异构计算技术也因此得到了快速发展。数据和算力需求的飞速增长驱动先进计算产业加速演进。VR/AR、自动驾驶等新兴应用方面，在给用户带来全新体验的同时，也对海量数据的实时处理能力和交互时延提出了更高的要求。
从技术创新看，材料、架构、软件等多路演进并行。
当前，晶体管尺寸与密度已逼近极限，经典计算系统通过工艺制程的微缩提升性能的空间有限。未来先进计算将从体系结构上进行创新，从材料、架构、软件等方向多路径演进。具体来说，数据中心算力多样化成为趋势，通用化、专业化计算芯片将并行发展。传统以CPU为中心的架构难以满足海量数据处理的要求，系统架构将向以内存为中心演进，存内计算技术已经历分布式缓存、内存数据网格、分布式内存数据库和高性能、集成化、分布式内存平台等四大发展阶段。基础计算模式围绕多核并行、异构并行、边缘计算等体系架构创新而演进。软硬系统垂直整合成为现下主流厂商布局焦点，通过软件硬件的协同，提升系统应用性能。
从*策环境看，发达国家多维度支持手段引导发力。
美国长时间以来在量子计算、超级计算、类脑计算和异构计算等前沿领域出台多项国家级战略。其《国家战略计算计划》制定了先进计算产业的发展框架，用以改善计算基础设施，建立持久的多部门协同合作关系，确保美国在此领域保持领先地位。欧盟利用“地平线”计划，将先进计算视为战略布局的重点并制定了多维度举措。英国将先进计算置于重要发展地位并构建了长期稳定的资助体系，不断优化基础条件和研发环境，从战略方向、科研基础、产业生态、企业支持、人才储备进行长期稳固布局。日本将先进计算纳入重点支持的高新科技领域，在国家层面开展统一协调的研发部署，发布多个重点支持项目。
从竞争态势看，跨国巨头争相加大投入抢滩布局。
以算力、算法、算据为核心的先进计算将打造企业发展的新动能，各国科技巨头加大研发投入、抢滩布局。先进计算产业以应用为导向，边缘计算等高通量计算技术方兴未艾。科技巨头、设备制造商等纷纷推出边缘计算解决方案，英特尔布局了从云、网络到边缘的智能技术；BlackBerry和AWS联手创建边缘到云平台，为自动驾驶汽车提供边缘计算功能。巨头通过制程迭代、AI加速技术助推算力崛起。英特尔宣布推出TigerLake处理器支撑高性能计算需求；AMD宣布推出的下一代基于RDNA的高端GPU，拥有更高的带宽内存设计和计算能力。科技巨头进*自动驾驶，通过AI计算实现云端控制。高通首发SnapdragonRide，该平台通过云端AI计算，实现车道保持、交通标志识别、高速公路自动驾驶等云端控制功能。量子计算等高性能计算技术向应用方向“挪步”。谷歌宣布实现量子霸权；IBM宣布扩张QNetwork以推进量子计算，计划安装首批IBMQSystemOne商业通用量子计算机，以推动量子计算的应用落地，诸如，在应对全球气候变暖问题中寻找新的碳捕获材料、为动力电池的节能问题寻找更适合的化学反应等。
从渗透路径看，信息领域单点场景向各行业多元布局延伸。
随着物联网、人工智能、大数据等新兴技术的发展，先进计算正进一步与各个产业领域交互融合，已在金融、医疗、教育、零售、工业、交通、娱乐等诸多领域深度渗透。在智能变革的驱使下，传统行业纷纷开始拥抱先进计算，相关领域的技术研究和应用不断提速，未来将在化学反应、材料设计、药物合成、密码破译、大数据分析、机器学习、*事气象、核武器研究等方面起到决定性作用，产生颠覆性影响。尽管先进计算具有极强的产业带动作用，但是随着传统产业的智能化实践逐步深入，单点应用的模式将难以满足用户的智能化预期，先进计算技术需要围绕应用场景需求进一步下沉，通过产业智能化重塑与实体经济深度融合，完成从供给侧的技术驱动导向转向需求侧的场景化应用主导转型。
我国先进计算发展状况
从发展阶段看，技术跃升条件初步具备。
近年来，我国数据环境在各类应用场景爆发之下发生深刻变化，海量数据向异构化、多模化、泛在化等形态演进发展，传统的计算技术已难以满足未来以云化、边缘化、移动化、智能化为特征的计算需求，新环境、新形势、新变化对计算产业提出了更高的发展要求。与此同时，以中芯国际、长江存储为代表的底层硬件企业，以华为、中兴、浪潮等为代表的计算整机企业，以百度、地平线、小马智行等为代表的计算应用企业，以国盾量子、本源量子、寒武纪等为代表的前沿计算技术企业经过多年的技术积累，在各自领域深耕自主创新，着力打造技术标准，构建新的应用模式，逐步成为我国计算产业的主力*。
从竞争态势看，部分领域跻身领先行列。
我国近年来在人工智能、高性能计算、量子计算等方面，先后取得了一批原创成果，相关领域方向跻身世界先进行列。人工智能方面，据胡润研究院数据，我国在计算机视觉、自然语言处理、机器学习等人工智能的主要领域专利申请总量均居世界第一。高性能计算方面，其在国家科研体系中居于基础性的地位，我国在高性能计算机研制方面也取得了长足进展，性能指标达到世界领先，年公布的高性能计算百强中，神威太湖之光和天河二号高性能计算系统位列全球高性能计算强的第4和第5位。量子计算方面，我国科学家做出了一系列开创性工作，中科大潘建伟团队预计年实现60量子比特、99.5%保真度的超导量子系统，10年期目标预计将达到万比特量子计算机，与国际一流水平保持一致。
从市场潜力看，规模带动效应逐步释放。
我国具有全球体量最大、用户最活跃的数据市场和以自动驾驶、物联网、人工智能、智能制造等为代表的庞大的应用市场。新基建、“内外双循环”等*策也带来巨大市场需求，市场引导金融机构、互联网企业等优势资源投入，逐步建立产业公共服务平台和创新中心，完善安全可靠的先进计算产业链关键环节。此外，新冠肺炎疫情防控下的各类场景让生产生活从线下转移至线上，在线教育、远程会议、在线医疗、社交电商等数字经济业态迎来了快速发展的新契机，也为先进计算带来更多发展机遇。
从生态构建看，自主演进架构生态加速形成。
在国内计算产业中，市场上主流的芯片架构有X86、ARM、RISC-V和MIPS等，并在市场条件成熟前提下，形成适度收敛。X86架构在技术性能和应用生态上具有显著优势，基于X86处理器市场份额已达96%，其台式机、笔记本电脑、服务器市场份额分别为82%、84%、96%。我国海光、兆芯等企业已基于X86架构自主研发了CPU核、IP核、整机等系列产品，构建了相应技术标准。ARM架构在移动端和低功耗领域性能突出，IP授权模式已经趋于完善，市场应用规模愈发壮大。当前我国基于ARM架构的主流生态包括鲲鹏和PK生态，并形成了系列区域性面向诸多行业领域的服务器、PC整机品牌，应用推广密集落地，生态布局方兴未艾，呈“*团式”兴起态势。RISC-V架构具有模块化的特点和强大的扩展能力，能够根据应用需求选择合适的功能指令集，主要应用于智能穿戴设备。国内中科院计算所、阿里平头哥、君正、大鱼半导体等企业已经针对RISC-V进行战略布局，推动RISC-V产业生态快速发展。
从通用计算看，关键核心技术亟待补短板。
我国计算产业关键核心技术仍存在较多空白领域，亟待补短板、强根基。计算基础核心三部件CPU、内存、介质95%以上是国外设备，围绕计算的标准也基本被国外厂商把控。
服务器芯片方面，以英特尔和AMD为主要厂商的X86体系被美国厂商垄断，我国CPU芯片开发与研制起步晚，生态弱，差距大，总份额不足1%。在处理器架构融合、浮点运算能力、超多核总线、封装工艺等CPU核心技术上和国外厂商差距明显。内存和介质方面，美日韩厂商基本垄断中国市场，占有率超99%。寡头垄断的格局使得中国企业对DRAM芯片议价能力较低，是我国受外部制约最严重的基础产品之一。国内内存厂商合肥长鑫，介质厂商长江存储刚起步，已有突破，在材料、工艺和堆叠等核心技术上还有较大差距。
GPGPU方面，英伟达的通用计算加速卡为唯一商用产品断垄断市场，国内厂商多瞄准中小型边缘AI加速卡等市场，高算力AI与高精度HPC场景布局与国外头部厂商差距巨大。
FPGA方面，当前全球市场被赛灵思、英特尔、莱迪思等国际巨头垄断。国内厂商刚起步，核心技术差距较大，在仿真器、集成度、核心IP（DSP，SerDes，ADC）、片上网络（NOC）等积累很少，仅占4%市场份额。
AI芯片与服务器方面，芯片主要依靠购买英伟达的AI训练集群，除阿里、百度、华为之外，其他互联网厂商尚无自研AI芯片。AI服务器当前的主流是英特尔+英伟达处理器。国内除华为拥有自研鲲鹏+昇腾处理器的AI服务器，其他厂商专用AI加速芯片也有少量部署。
操作系统方面，以微软+英特尔的联盟从生态、市场形成绝对的垄断优势，我国服务器操作系统多应用于*府等重点行业，市场规模小，生态弱。
数据库方面，老牌商业数据库厂商Oracle、微软和IBM占据中国市场60%以上份额。我国商业数据库发展迅速，但总体份额较少，仅占不到10%。国内数据库内核核心开发人员不足，关键技术亟待突破。
重点领域发展现状
超级计算
超级计算历来是衡量一个国家科技水平和创新能力的重要标志。在国家*策大力支持下，近10年来中国的超算产业在国家“”等多个国家科技计划的持续支持下迎来了飞速发展，跻身国际先进行列。年6月，全球超算强排行榜中，中国上榜个，占45%。日本采用ARM架构的超级计算机“富岳”超越中美，夺得全球超算冠*。排名第二和第三的超级计算机分别是美国的“顶点”和“山脊”系统。中国超级计算机系统“神威·太湖之光”和“天河二号”分列榜单第四、第五位。与此同时，我国超算产业仍然存在诸多问题，一是核心技术突破不够全面，自主技术发展还较为缓慢，绝大部分采用国外厂商的芯片、系统和应用软件；二是强调单点应用或技术的突破，现有的项目多以短期的项目支持为主；三是缺乏全局生态环境的顶层设计和产业化持续造血能力。例如，超算中心在软件开发能力和商业化运营上略有不足，呈现投入大产出少的现状。
人工智能
我国人工智能已处于第一梯队，年中国共发表人工智能领域相关论文2.87万篇，同比增长12.4%，专利申请量年超过3万件，同比增长52.4%，在人工智能领域各项顶级国际会议上的活跃度和影响力不断提升。依托庞大的国内市场和用户群，在语音、视觉、传感等相关领域的技术发展持续突破。与此同时，我国人工智能发展依然存在诸多瓶颈问题，一是人工智能原创性理论基础不强，重大原创成果不足；二是在基础理论、核心算法以及关键设备、高端芯片、重大产品与系统、基础材料、元器件、软件与接口等方面，与美国相比还存在较大差距；三是人工智能产业结构布局尚不完善，人工智能人才队伍，特别是尖端人才不能满足发展需求。总体而言就是大而不强。
汽车智能计算平台
作为智能网联汽车“大脑”的计算平台，汽车智能计算平台的发展具备四个显著的趋势：硬件异构化、软件标准化、工具自动化、应用模块化。年，华为和百度已经推出了专用车载计算平台。蔚来、小鹏、威马等我国造车新势力逐步开始为客户提供OTA的升级服务，带来便捷的同时也带来安全问题、监管问题。汽车智能计算平台的功能安全、预期功能安全和信息安全仍存在较大提升空间。自动驾驶的功能安全尚未达成共识，预期功能安全国内研究基本空白，标准体系建设亟待完善，信息安全纵深防御理念尚未融入汽车产业生态。
量子计算
量子计算是以量子比特为基本单元，通过量子态的受控演化实现数据存储的一类计算技术，具有经典计算无法比拟的巨大信息携带和超强并行处理能力。美国始终处于领先地位，IBM、谷歌、微软、英特尔等科技巨头均抢先布局，谷歌在年宣布实现“量子霸权”，工业巨头霍尼韦尔推出了量子体积为64的量子计算机。我国核心论文数量、研究机构数处于世界前列，科研机构、高校开展的理论研究进展迅速，基础研究能力仅次于美国。为抢占量子技术革命的制高点，我国先后启动“自然科学基金”、“”计划和重大专项，支持量子计算的技术研发和产业化落地。在多光子纠缠领域，我国始终保持国际领先地位，中国科学技术大学常务副校长、中国科学院院士、西湖大学创校校董潘建伟教授表示，已经实现了光量子计算性能超过谷歌53比特量子计算机的万倍。阿里巴巴、腾讯、百度和部分ICT企业也积极参与产业生态建设，纷纷建立相关实验室。我国量子计算发展仍存在诸多问题与挑战。一是关键技术研发仍存在差距，在量子计算机硬件、软件等各方面仍然存在重大技术障碍。二是市场尚处于培育阶段，商用条件苛刻且成本高，未来应用场景模糊，技术距离应用落地尚有很大距离。三是我国在量子计算的技术累积、研发投入、顶层设计等方面缺乏全面布局。
云计算
云计算产业已从最初的互联网科技行业，逐步向金融、零售、医疗、生产制造、公共事业等传统行业渗透。市场方面，当前全球云计算市场稳定增长，年全球云计算市场规模达到1.27万亿元，增速20.86%，预计年市场规模将超过2.36万亿元；我国云计算市场攀岩式增长，年云计算市场规模达到亿元，增速38.61%，预计年市场规模将翻三番至亿元。带动效能方面，5G、AI、大数据等信息技术的演进发展为云原生技术赋能，企业可通过SaaS服务将应用快速构建和部署，使资源可调度粒度越来越细、管理越来越方便、效能越来越高，实现企业云化管理，大大提高传统企业生产效率和创新能力。部署模式方面，随着新基建的不断落地，构建端到端的云、网、边一体化架构将是实现全域数据高速互联、应用整合调度分发以及计算力全覆盖的重要途径。（摘自《先进计算产业发展白皮书》，标题为本刊编辑所加）
来源：《中国战略新兴产业》杂志年1月1日期
编辑：艾丽
审核：赵涵