二、先進計算技術

進入信息時代以來，人工智能、物聯網、數字經濟等新技術和新業態在推動社會數字化轉型的同時，產生的海量數據給全球數據存儲、處理和分析能力帶來新的壓力，推動著云計算、邊緣計算和超級計算機等計算技術的迭代更新。2019年，先進計算技術穩步發展，全球超級計算機開始向百億億次級的運算能力邁進，將進一步提升人類對數據的處理能力；量子計算機研究進展超出業界預期；世界首款異構融合類腦芯片成功研發，為搭建通用性人工智能計算平臺創造條件；系統硬件和軟件工程的發展推動了信息技術與傳統產業的深度融合。

（一）超級計算機

超級計算機是計算機中功能最強、運算速度最快、存儲容量最大的一類計算機，多用于國家高科技領域和尖端技術研究，是國家科技發展水平和綜合國力的重要標志，對國家安全、經濟和社會發展具有舉足輕重的意義。各個國家和地區均不斷提升超級計算機性能，推動超級計算機在前沿科技領域的應用。

1.美國阿貢國家實驗室、英特爾和克雷公司擬共建下一代超級計算機

2019年3月，美國阿貢國家實驗室、芯片制造商英特爾和超級計算機制造商克雷公司擬共建美國下一代超級計算機“極光”。該超級計算機的浮點運算能力將達每秒百億億次級，計劃在 2021年年底全面投入使用?！皹O光”將部署在美國阿貢國家實驗室，可通過結合高性能計算和人工智能來解決現實問題，可用于模擬核爆炸、改善極端天氣預報、加速醫療研發、繪制人類大腦圖譜及開發新材料等領域。

2.歐盟斥資8.4億歐元新建8個超算中心

2019年6月，歐盟宣布擬在保加利亞、捷克、芬蘭、意大利、盧森堡、葡萄牙、斯洛文尼亞和西班牙建設8臺超級計算機，其中3臺將具備每秒15億億次浮點運算能力，其余5臺將具備每秒4000萬億次浮點運算能力。興建超級計算機是“歐洲高性能計算共同計劃”的一部分，項目總預算高達8.4億歐元。這些超級計算機將用于個性化醫療、藥物和材料設計、生物工程、天氣預報及氣候變化等領域，預計于2020年下半年投入使用。

3.美國國家地理空間情報局使用超級計算機構建全球3D地圖

2019年8月，美國國家地理空間情報局（National Geospatial-Intelligence Agency，NGA）與美國伊利諾伊大學（University of Illinois）、美國明尼蘇達大學（University of Minnesota Twin Cities）和美國俄亥俄州立大學的研究人員合作，共同開展全球3D地圖項目“EarthDEM”。研究人員將不同區域、不同角度的衛星圖像發送至“藍水”（Blue Waters）超級計算機，對圖片進行分析并建立高度數據，最終拼接成全球 3D 地圖。此前，美國明尼蘇達大學的研究人員已與美國高校的研究人員合作制作了南極與北極的 3D 地圖。研究人員表示，該項目僅使用衛星采集的平面圖像即可生成3D模型。

4.印度提出“國家超級計算機任務”，擬研發60臺超級計算機

2019年9月，印度提出“國家超級計算機任務”，擬研發60臺超級計算機。印度超級計算機建造計劃分3個階段：第一階段，制造6臺超級計算機，初步掌握主板層面的集成與組裝；第二階段，制造 10 臺超級計算機，將大部分集成和組裝工作本土化；第三階段，制造 44 臺超級計算機，實現處理器以外所有部件的本土化。該項目將耗資6.27億美元，旨在提升國家科研實力、保護國家安全。

5.日本新一代超級計算機“富岳”初步交付

2019年12月，日本新一代超級計算機“富岳”初步交付日本理化學研究所計算科學研究中心。“富岳”由日本理化學研究所和富士通公司合作開發，其運算速度將達到上一代超算“京”（Kei）的 100 倍，可用于推進材料開發和自然現象分析等科學研究，預計將于 2021年完成交付并投入運行。日本希望借助超級計算機推動自然災害研究、生產技術創新及新藥的開發。

（二）量子計算

量子計算機遵循量子力學規律處理量子信息，具備遠超傳統計算機的數學和邏輯運算能力，能為科學研究提供巨大的算力支持。當前，量子計算機仍然處于實驗室研發階段，通用量子計算機的研究仍面臨消除量子噪聲、減少數據丟失和糾錯等問題，但全球范圍內對量子計算的重視程度日益提升，量子計算技術科研攻關也在不斷獲得突破。

1.美國IBM公司推出全球首臺量子計算一體機

2019年1月，美國IBM公司推出全球首臺量子計算一體機IBM Q System One。該一體機包含啟動一個量子計算實驗所需的全部裝置，如量子計算硬件冷卻設備等，這是通用近似超導量子計算機（Universal Approximate Superconducting Quantum Computer）首次脫離實驗室實現商用。但一些業界人士認為，該機器并不是一般意義上的商用量子計算機，其算力還遠不如手機，主要將用于研究和教育方向。

2.日本理化學研究所提出混合量子位架構以解決量子計算關鍵障礙

2019年1月，日本理化學研究所領導的國際研究小組為量子計算設計了一個新的架構，通過將兩種不同類型的量子位組合使用，構造出一個可以快速初始化和讀取，且具有高準確度的量子計算設備。研究人員將單自旋量子位與單態—三重態自旋量子位同量子門結合起來，可使糾纏量子的自旋態在較長時間內保持相干性，為量子計算機的可擴展性研究提供了重要的參考。

3.美國IBM公司研發出可提升量子計算準確性的新方法

2019年3月，美國IBM公司研發出名為“零噪聲外推”的方法，該方法可減輕量子計算機產生的噪聲，提升量子計算的準確性。量子計算機運行時的噪聲會影響計算結果，導致計算出現誤差，因此，降低噪聲及減少誤差是提高量子計算機實用性的關鍵。采用“零噪聲外推”，研究人員無須改進硬件設備，而是通過在不同噪聲水平下進行重復計算，對量子計算機在沒有噪聲干擾下的計算結果進行估測，以此提升計算結果的準確性。

4.英法聯合研究團隊證實可用硅基電子元件構建量子計算機

2019年9月，英國劍橋大學（University of Cambridge）、英國倫敦大學學院（University College London）和法國電子和信息技術研究院聯合團隊證實可用傳統硅基電子元件構建量子計算機。現階段，量子計算機的開發仍處于起步期，最先進的原型機仍處于實驗室階段，離量產還有較遠距離。聯合團隊的研究人員開發出一種可在接近絕對零度的狀態下工作的電路，并用商用晶體管代替量子比特和量子橋，在硅基電子元件上模擬量子計算。該研究或將為量子計算機的量產鋪平道路。

5.美國IBM公司發布一系列簡化量子計算訪問的新工具

2019年9月，美國IBM公司發布一系列簡化量子計算訪問的新工具。借助美國IBM公司最先進的系統和軟件，研究人員可以通過網絡訪問IBM量子計算服務器，并展開測試。與此同時，教育工作者也能夠直接借助美國 IBM 公司開發的工具，在課堂上動態展示硬件上的量子計算概念。此外，美國IBM公司還公開發布了量子計算相關教科書和視頻教程，幫助研究人員理解并使用其量子計算最新成果。

6.谷歌在《自然》期刊發表其量子計算機最新成果

2019年10月，谷歌在《自然》期刊發表關于量子計算機最新成果的文章。谷歌的研究人員開發出新型54比特量子處理器Sycamore，以此構建的量子計算機能在200秒完成特定計算任務，而目前最先進的超級計算機需要一萬年才能完成該任務。該研究成果首次證明了量子計算機遠超傳統計算機的優越性能，是計算機領域的里程碑事件，但量子計算機從實驗室到實際應用仍然有很長的路要走。

7.中國量子計算研究團隊突破量子計算模擬算法

2019年11月，國防科技大學、解放軍信息工程大學等高校及科研機構組成的量子計算研究團隊提出一種依賴量子糾纏度的量子計算模擬算法，并利用該算法開發出通用量子線路模擬器，實現了對隨機量子線路采樣問題的模擬。研究人員在“天河二號”超級計算機上測試了49、64、81和100等不同數目量子比特在不同量子線路深度下的問題實例，結果顯示，該算法的計算性能達到國際領先水平。研究人員表示，該量子線路模擬器可用于評測量子計算機性能，將促進量子計算進一步發展。

（三）新型計算

人類進入數字時代以來，社會生產生活方式的變革及其對數據運算能力日益高漲的需求，推動著云計算、邊緣計算和類腦計算等計算技術的產生。以云計算為代表的新型計算方式，在提升算力水平、優化算力分布和降低計算成本等方面發揮了不可替代的作用，也將推動大數據、物聯網和人工智能等信息技術快速發展和傳統產業數字化轉型。

1.大眾汽車和亞馬遜聯手開發工業云計算平臺

2019年3月，大眾汽車和亞馬遜聯手開發工業云計算平臺，以管理汽車生產設施產生的所有數據。該平臺將以亞馬遜云服務技術為基礎，把大眾汽車所有工廠、機器和系統的數據集中起來，有助于大眾汽車及早發現供應瓶頸和流程問題，優化機器和設備的運行，提高生產力。大眾汽車與亞馬遜還將拓展平臺應用范圍，把供應商和整個供應鏈上的合作伙伴納入進來。大眾汽車和亞馬遜表示，該平臺后續將面向其他汽車制造商開放。

2.微軟與甲骨文整合云計算服務

2019年6月，微軟和甲骨文（Oracle）達成一項協議，計劃通過在兩家公司的數據中心之間建立高速連接，使雙方的云計算服務協同工作，以爭取更多大型企業用戶，同亞馬遜云服務競爭。兩家公司表示將共同努力，幫助雙方共同的企業客戶能夠以單個用戶名登錄兩家公司中任何一家公司的云服務，并從兩家公司獲得技術支持。微軟與甲骨文表示，數據中心之間的高速連接將從美國東部設施開始實施，然后再擴展到其他地區設施。

3.澳大利亞皇家墨爾本理工大學使用計算機芯片模擬人類大腦

2019年7月，澳大利亞皇家墨爾本理工大學（Royal Melbourne Institute of Technology University）的研究人員使用芯片模擬人類大腦，并成功使用光線操縱神經元。研究使用的新型芯片由一種超薄材料制成，可根據不同波長的光線改變電阻，進而能夠模擬神經元在大腦中存儲和刪除信息的工作方式。該技術使得計算機芯片能更好地模擬大腦的工作方式，有助于科學家更好地研究人工智能。

4.英特爾開發出擁有800萬個數字神經元的計算機

2019年7月，英特爾開發出一個擁有800萬個數字神經元的計算機系統，該系統可用于模擬人類大腦的研究。該系統名為Pohoiki Beach，擁有64個英特爾“羅?！保↙oihi）芯片。該系統的數字神經元能夠模擬軸突、樹突和突觸，并像傳遞神經刺激一樣傳遞信號，在模擬真實大腦方面邁出了重要一步。英特爾表示，研究人員已將該系統用于模擬皮膚的觸覺感應、控制假肢和玩桌上足球等任務。

5.美國密歇根大學開發出全球首個可編程憶阻器芯片

2019年7月，美國密歇根大學的研究人員開發出可直接在內存中執行計算的全球首個可編程憶阻器芯片。研究人員設計的憶阻器芯片集成了OpenRISC處理器、數模轉換器、模數轉換器和混合信號接口器，可將數據在憶阻器和主處理器之間轉換。該芯片可在內存中執行計算，避免了處理器和內存間傳輸數據的功耗和延遲問題。在最高頻率下，該芯片功耗僅為300毫瓦。研究人員表示，目前在內存中進行計算還面臨計算速度低、稀疏編碼難等問題。若這些問題得到解決，此類芯片將在邊緣計算領域發揮重要作用。

6.清華大學開發出異構融合類腦芯片

2019年8月，清華大學的研究團隊開發出異構融合類腦芯片“天機芯”。該芯片結合類腦架構和高性能算法，具有多個高度可重構的功能性核，可同時支持機器學習算法和現有類腦計算算法。研究人員通過在無人自行車的控制系統中整合一塊“天機芯”，實現了自行車的自平衡、動態感知、目標探測、跟蹤、自動避障、過障、語音理解和自主決策等功能，展現了“天機芯”對實時復雜指令的處理能力。該芯片有助于推動通用型人工智能計算平臺發展。

（四）系統硬件與軟件工程

計算設備不僅需要芯片和存儲器等硬件設備提供高速運算能力，也需要算法和軟件來實現最優運算路徑和最快運算效率。計算設備整體算力的增長以系統硬件性能的提升和算法及軟件的優化為基礎。系統硬件和軟件工程不僅保障超級計算機、量子計算機和新型計算機的正常運轉，其應用場景的拓展也推動了信息技術與傳統產業的深度融合。

1.英國貝爾法斯特女王大學設計出一套新的運算系統以降低智能設備的延遲

2019年1月，英國貝爾法斯特女王大學（Queen’s University Belfast）設計出一套新的運算系統，該系統可降低智能設備的延遲。目前的智能設備普遍需要通過互聯網訪問云端進行數據處理，導致智能設備普遍存在延遲問題。研究人員使用邊緣計算技術開發出一個軟件框架，該框架可以將智能設備的數據請求引入到在地理位置上更接近用戶的服務端，加快數據訪問和獲取速度，進而為智能設備提供更快的解決方案。

2.美國斯坦福大學開發出用于超級計算機的新型編程語言

2019年7月，美國斯坦福大學研究小組開發出一種新型編程語言Regent，Regent可使超級計算機更易于操作。研究人員可利用 Regent 在概念層編寫程序，超級計算機則可將程序編譯至軟件層Legion，并生成機器代碼以執行精確指令，Regent和Legion之間的緊密集成使程序員能夠更容易地完成操作。研究人員表示，超級計算機隨著性能的提高，其復雜程度也今非昔比，Regent則能夠降低超級計算機的使用難度。

3.SK海力士開發出新存儲芯片，其數據處理速度較上代提高50%

2019年8月，SK海力士開發出業界處理速度最快的存儲芯片HBM2E。與上代產品HBM2相比，HBM2E的數據處理速度提高了50%，單顆芯片容量提升至16吉比特。與采用模塊封裝形式并安裝在系統板上的傳統動態存儲器產品不同，HBM系列芯片可以與圖形處理器（GPU）和邏輯芯片等處理器緊密互連，其間距僅為幾微米，可實現更快的數據傳輸，而 HBM2E 芯片將應用于數據吞吐量極大的高端GPU、超級計算機、機器學習和人工智能系統等尖端領域。

4.美國普渡大學開發出新型鐵電場效應晶體管

2019年12月，美國普渡大學（Purdue University）成功開發出新型鐵電場效應晶體管，該晶體管可用于構建同時處理和儲存信息的單個芯片器件。鐵電材料和硅材料的性質沖突，導致科學家無法在單個芯片中同時實現計算和存儲。美國普渡大學的研究人員在鐵電材料中加入α-硒化銦，解決了常規鐵電材料中“帶隙”引起的絕緣問題，從而實現了材料的半導體特性，制成了鐵電場效應晶體管。研究人員表示，利用該晶體管研制的“鐵電存儲器”可在單個芯片中實現數據的存儲和處理，將大幅提升信息與通信技術系統的計算效率。