视界｜先进计算技术的七大发展趋势

如果说数据是数字经济时代的核心生产要素，那么数据的底座之下，算力承担了核心生产力的角色。然而，随着计算性能的提升进入瓶颈期，算力也面临多维度的挑战。

比如在硬件方面，硅基芯片制程接近极限，内存墙、功耗墙问题凸显，摩尔定律正在逐渐失效；网络方面，数据传输的损耗与开销过大，算力无法得到有效利用；性价比方面，算力硬件的投入与回报不成正比，亟需更加高性价比的方案……

先进计算技术有望解决上述难题，并进一步打破算力危机。先进计算技术指代一切从计算理论、计算架构、计算系统等层面有效提升现有算力规模、降低算力成本、提高算力利用效率的创新性技术。近日，DeepTech发布《2022先进计算七大趋势》，通过科研数据分析、专家访谈等方式洞悉先进计算领域发展现状，探寻出先进计算领域具备颠覆性的硬件突破、架构演变及前沿应用趋势。以下，enjoy～

01

量子芯片

在“量子计算优越性”已被证明之后，量子计算迈入NISQ（含噪声的中型量子）时代。作为量子计算机迈向产业化、商业化的核心要素，量子芯片将成为关键技术。目前，麻省理工学院、耶鲁大学、中国科学技术大学等世界知名高校已经在量子芯片领域取得重大突破。

作为量子计算的一种代表性技术路径，光量子芯片因其工作环境要求低、集成度高等特点广受关注。在国内，君联资本、联想之星共同投资企业图灵量子已成为全球光量子芯片的领跑者。2022年3月，图灵量子正式启动国内第一条光子芯片中试线建设，两年内有望建成专注于新一代信息技术需求的光子芯片前沿研究和产业化支撑平台。

未来，量子芯片将赋能先进计算，为人工智能、密码分析、气象预报、量子化学和药物设计等领域的计算难题提供颠覆性解决方案。

02

硅光芯片

硅光芯片在微电子技术与纳米光子技术之间取长补短，既具有微电子尺寸小、成本低、集成度高的特点，又将光子高带宽、高速率、多通道的长处发挥得淋漓尽致，实现了两种物理体系的高效整合。同时，硅光芯片对工艺制程要求较低，具备极高的性价比。

随着云计算与人工智能等技术应用的爆发，硅光芯片进入了技术与产业的高速发展期，部分企业也在此趋势下快速发展。君联资本所投企业中科光芯是我国唯一拥有从外延到器件完整工艺的光芯片/器件企业，在福州、石狮和深圳均建有研发中心、生产线，年销售量超过几千万颗光芯片及器件。同时，中科光芯与中科院物构所、中科院半导体所、清华大学等科研单位及高校开展产学研合作，承接了众多前沿科研项目。

据DeepTech介绍，未来3年，硅光芯片将在量化交易、自动驾驶、大数据中心等领域迎来商业化落地。未来10年，硅光芯片与电子芯片将互补共存，深化光电融合的发展模式。

03

类脑芯片

人脑是自然界中最完美的信息处理系统，类脑计算借鉴人脑处理信息的方式，以更少的器件、更低的能耗与更高的能效比颠覆传统计算范式。类脑芯片是类脑计算落地应用的硬件载体，具备“事件驱动”与“存算一体”等特性。

未来，人工智能的发展必将从狭隘的弱人工智能走向更具鲁棒性（稳定性）与通用性的通用人工智能。脑科学与计算机科学的深度融合，将为通用人工智能的实现提供必要的条件。根据法国半导体市场调研公司Yole Développement预测，2035年类脑计算市场将占人工智能市场总收入的15%-20%，市场规模约200亿美元。

04

DPU（数据处理芯片）

随着云计算的普及，数据中心在快速扩容的同时也面临着来自性能、规模、能耗与安全的问题。一方面，数据中心的计算资源被复杂的基础设施操作所占据。数据显示，处理100G带宽的网络服务，将耗费CPU约70%的算力；另一方面，服务器集群的规模越来越大，如何高效地统筹各服务器间的计算和存储资源，是数据中心想要实现降本增效必须克服的难题。

针对上述问题，从智能网卡演变而来的DPU成为了共识的解决方案。DPU集合了高性能的网络接口与灵活可编程的多核CPU，能够实现算力卸载（解放CPU）、降低网络拥塞、网络虚拟化和安全加速等多种功能，为数据中心业务与基础设施操作的分离提供了强有力的支持。

未来，DPU、CPU、GPU将成为大型数据中心内的三驾马车。其中DPU作为整个数据中心的大脑，将可通过数据流链接并管理着整个计算系统。

05

分布式云

5G与IoT浪潮之下，智能终端数量及其产生的数据总量呈现指数级别的增长，集中式的云计算难以满足带宽、时延与成本的需求，算力架构开始再次向分布式迁移。

分布式云搭建在数据中心与终端设备之间的边缘基础设施上，是云计算能力向边缘节点下沉的表现。分布式云靠近数据源头，广泛分布在不同地理位置，覆盖各种数据热点区域和客户场景，就近提供计算、网络、存储、安全等云能力。基于以上物理层面的优势，分布式云是一种满足广连接、大带宽、低延时和碎片化需求的精细化云服务。

未来，分布式云将服务于自动驾驶、工业制造、智慧城市等对时延和连接有苛刻要求的应用领域，释放更多边缘智能的价值。

06

泛在算力

在数据爆发式增长与算力单点性能极限之间的矛盾日益突出的背景下，以网络连接泛在算力，构建云边端一体的立体算力网络迫在眉睫。

在这一领域，联想集团打造以“端-边-云-网-智”为代表的“新IT”战略，在大数据、人工智能和物联网等技术的运用下，赋能实体经济，促进供应链的创新转变。联想集团通过“内生外化”的方式，即把公司内部作为试验场，把实践经验产品化，再形成解决方法和服务，对外赋能更多企业向数字化以及智能化转型升级，发挥头雁作用，以推动“中国制造”走向“中国智造”，为我国实现高质量社会经济发展提供助力。截至目前，联想集团已经在智慧城市、智慧零售、智能制造、智能办公等领域打造出了一系列标志性案例。

下一个10年，算力将如同水电煤等基础资源一般，渗透进人类生产生活的点滴，成为智能社会运行的核心要素。泛在的算力为各行各业带来的效率提升能够释放出新的生产力，从而推动社会经济的发展。

07

科学复兴

科学的突破不仅仅需要敏锐的观察力、丰富的想象力、严谨的推理能力，更需要强大的计算能力。从手写演算到图灵机的运算，再到基于大数据的机器学习、以及未来的量子计算，人类每一次计算能力的革新都助推着科技的发展。

迈入算力时代，以量子计算、光计算为代表的先进计算技术将为人工智能等工具搭载全新的引擎，加速人类科学复兴。

参考链接

> DeepTech：2022先进计算七大趋势