中國網/中國發展門戶網訊 世界正在進入以數字經濟為主導的信息社會。黨的十九大確立了到?2035?年躋身創新型國家前列的戰略目標；黨的十九屆五中全會提出了堅持創新在我國現代化建設全局中的核心地位，把科技自立自強作為國家發展的戰略支撐。為適應我國新階段的發展需求，堅決打贏關鍵核心技術攻堅戰，我國需要構建高水平自立自強的信息技術（IT）新體系。

構建信息技術新體系，不僅要順應信息技術發展的大趨勢，還要思考新全球化下我國在世界的位置；不僅要思考如何構建自立自強的計算技術新體系，還要思考如何構建適合新體系的科研工作新模式。 

構建自立自強的信息技術新體系的必要性

在智能時代，中國是繼續跟隨美國的技術體系，還是發展自己的技術體系？中國自己的技術體系未來能在新全球化的大環境下走向世界嗎？這是值得我們深入思考的重要問題。

以當前的處理器生態現狀和發展演變趨勢為例，分析我國構建信息技術新體系的必要性。處理器作為信息技術的底板，有生態和應用?2?個維度，可以表示為九宮格形式（圖?1）。從生態的開放性劃分，可分為閉源指令、可授權指令和可擴展指令；從應用的時代劃分，可分為服務器/桌面的?IT 1.0?階段、移動應用的?IT 2.0?階段、大數據/AIoT的?IT 3.0?階段。圖?1?對角線方向的紅色虛線表示?AIoT?生態發展路徑，遵循“貝爾定律”，同時也是構建信息技術新體系的主戰場，是信息化中數量占比最大的部分——最早是?Wintel?聯盟（微軟與?Intel?的合作），然后是雙?A?架構（ARM+Android），未來也許是?RISC-Ⅴ/泛在?OS?（第?5?代精簡指令集和泛在操作系統聯盟）。圖?1?中另外?2?個生態分別沿橫縱坐標展開，橫坐標方向為?PC?處理器生態發展路徑，縱坐標方向為服務器處理器生態發展路徑。

以處理器總體格局分析我國構建信息技術新體系的必要性。處理器的總體格局本質是?3?個生態控制體系的格局，本文簡稱為?A?體系、B?體系、C?體系。 A?體系。其是美國控制的生態體系，源自?20?世紀?90?年代，是在美國主導下發展的信息高速公路技術體系。從中國的角度來看?A?體系是“離了你，我不行”。因此，要通過“卡脖子”工程來應急；同時，應考慮與美國捆綁，以避免“硬脫鉤”。 B?體系。其是中國為了國家安全必須打造的自主可控信息技術體系，是中國控制的生態體系。B?體系從關鍵技術角度以對?A?體系進行仿制跟蹤為主，以根據國內需求進行創新為輔。從中國的角度來看，B?體系是“離了你，我也行”。歷經?20?年，通過實施“信創工程”做原位替換，雖然我們守住了底線，但是它的適用空間還是有限的。 C?體系。未來?30?年，我們需要緊緊牽住核心技術自主創新這個“牛鼻子”，在前沿技術和關鍵核心技術領域作出原創性、基礎、核心層的技術貢獻，構建面向智能時代自立自強的?C?體系。C?體系是中國與世界共建的技術體系，是世界控制的生態，既解決中國的問題，也要解決世界的問題，從中國的角度來看是“我與你共建平衡”。

A、B、C 3?個體系都很重要，缺一不可。中國科學院計算技術研究所（以下簡稱“計算所”）技術轉移相關的幾個代表性公司都是構建?3?個體系的骨干力量。A?體系的代表公司是海光信息技術有限公司，目標是依靠我國的成本、人力資源和政策優勢，最大限度地滿足信息化主戰場的需求，擠壓主要競爭對手的利潤空間；B?體系的代表公司是龍芯中科技術股份有限公司，目標是為做好底線準備，保障國內核心部門與關鍵行業的基本需求；C?體系的代表公司是中科寒武紀科技股份有限公司，目標是依靠原創技術的領先優勢，與主要競爭對手爭奪未來的主流市場、國際市場的超額利潤，特別是全球生態主導權。 

構建自立自強信息技術新體系的基本原則

實現信息技術領域高水平自立自強的目標，首先需要明確體系構建的基本原則。C?體系面向智能時代新需求、新挑戰、新市場，在兩個維度擴展開來：一個是貫穿芯片的工作負載、設計、制造工藝等，另一個是貫穿信息基礎設施的端、邊、網、云。做成任何一件事情背后總有一些哲學理念，信息技術新體系設計也不例外，背后有若干基本原則，這些原則不是成功的充分條件，但為必要條件，它們足夠引發大的變化。建立自立自強的信息技術新體系，實現新一代信息技術的突破，總的理念就是要充分發揮好具有中國特色的各類創新要素，把集體意識強、執政能力強、創新場景多、工程技術人才多、市場規模大等優勢發揮出來。總體來看，構建信息技術新體系，“戰勝”原有技術體系，需要把握好?5?項重要原則（圖?2）。

內置安全機制戰勝外掛安全機制。A?體系是按照外掛安全方式設計的系統安全機制。外掛安全機制，就像設計房子，一開始設計的時候沒想到需要抗震，也沒想到要防盜；等房子設計好了之后，才想到要加固房梁，以及裝防盜門、防盜窗、攝像頭等，這些后加的安全措施就是外掛式安全的措施。在?A?體系設計中也是如此，不管是傳輸層、網絡層還是計算層，都沒有考慮安全因素。在傳輸層，傳輸技術基于“香農定理”設計，重在容量提升；在網絡層，基于TCP/IP?協議、DNS（域名解析系統）和?PKI（公鑰基礎設施），安全機制也都是打補丁，網絡架構也沒有充分考慮安全；在計算層，馮?·?諾依曼計算架構在?20?世紀?50?年代提出時，重在提升計算性能，也未考慮安全因素。未來要把安全的“基因”內置在計算機系統設計中。

開放跨層優化戰勝分層優化。目標是要在傳統信息技術分層發展模式的基礎上，通過制定接口與標準規范，發揮中國的體制優勢，把一切可以調動的因素充分調動起來，實現產業界的跨層垂直優化，提升系統性能。對比火箭技術體系與信息技術體系（圖?3），在構建方式上是不同的，火箭技術體系的特點是底座很“大”，越往上越“小”，最上面是重型運載火箭，整體創新體系相對不容易被“卡脖子”。信息技術體系的特點是：越往上越“大”，上面是應用、軟件，下面是設備、芯片、工藝；越往下越“小”——這里說的“小”是指市場小，供應商少、供應鏈脆弱，所以很容易被“卡脖子”。A?體系是分層優化的，Intel?在一層，IBM?在一層，Google?在一層，每一層都單獨優化；這種方法的優點是在每一層做好了都可以是一個偉大的公司，缺點是很難跨層垂直優化。國際巨頭?IBM?曾經采用工藝、材料、芯片、設備、軟件、應用的全棧貫通式布局，在銀行、保險等高價值領域獲取了巨額利潤；但在互聯網時代，被?Google、Intel、TSMC?等分層優化企業用更高的性能價格比打敗了。所以，我們需要發展出性價比更高的垂直技術體系，做到既保持分層的優勢，又要有垂直優化的能力，才能突破國際壟斷企業建立的市場壁壘。

多態場景加速戰勝數種通用芯片。比較而言，美國國情是人少、工程師少、高價值市場大、半導體制造業先進，對美國來說最經濟合算、有效的就是用數種?CPU（中央處理器）+GPU（圖形處理器）通用芯片，依靠先進的半導體工藝，覆蓋廣闊的場景；中國國情是人多、工程師多、場景多、市場更大但也更加碎片化，半導體制造業相對長期落后，被極紫外（EUV）光刻機“卡脖子”。那么，中國是不是可以用?100?種面向領域的專門芯片，依靠第?2?項原則進行軟硬件貫通優化，以獲得競爭優勢呢？最近，中科寒武紀科技股份有限公司研制的“思元?270”NPU（嵌入式神經網絡處理器）芯片，執行人工智能（AI）任務的綜合性能/功耗與價格比是同期?NVIDIA?通用?GPU Tesla V100?芯片的?10?倍以上，就是一個多態場景加速的例子。

高并發實時處理與傳輸戰勝片面追求高性能。中國人多、資源相對少，所以面臨更加嚴重的高并發問題；相對而言，美國人少、資源多，可以追求高性能。就像早高峰堵車一樣，車很多的情況下，出入口設計如果不合理，測調能力如果也沒有，那基礎設施投入的有效性會在一個拐點急劇下降，這就是我們提出中國應追求高通量的動機。建設國家級高通量信息基礎設施的目標是，將數據量提升?1?000?倍以上，帶寬提升?100?倍以上，支持實時連接千億物端，降低處理延遲?5?倍以上，端到端延遲可達毫秒級，實現數據傳輸與處理的協同優化，能有效支持實時延遲敏感類的應用。

敏捷開發方法與開源生態戰勝創新門檻高的壟斷生態。敏捷設計是應對碎片化應用場景的最有效方式，開源是打破技術壟斷的最有效進攻方式。通過極致優化形成成本優勢，搶占中低端市場，將競爭對手壓向高端，贏得時間窗口，是以弱勝強的有效策略——我國的制造業就是這么發展起來的。為什么貿易戰我們有底氣？是得益于制造業極致的成本優勢，搶占中低端，做到無可替代，然后再一點點往中端、高端發展。習近平總書記在中國科學院第二十次院士大會、中國工程院第十五次院士大會、中國科協第十次全國代表大會上指出，人類正在進入一個“人機物”三元融合的萬物智能互聯時代。我們回顧一下開源在“人機物”各個階段的歷史作用：在“機”的時代，操作系統開源，導致?IBM?的小型機的主導地位被?X86?服務器占據，而?Intel?占據數據中心?90%?的市場就是得益于開源?Linux；在“人機”的時代，安卓（Android）系統開源，導致?X86?的主導地位被?ARM?占據，智能手機行業得益于開源?Android；現在是“人機物”的時代，開源的泛在操作系統加上開源的指令集，是否會導致?ARM?被?RISC-Ⅴ?取代呢？

以在中國科學院內協同起來構建?C?體系芯片技術體系的具體“配置”為例來說明構建?C?體系芯片技術體系的方式：面向國產?28 nm?工藝的光刻機、光刻膠、大硅片；超高性能價格比的?28 nm?芯片制程技術；開源的?EDA（電子設計自動化）工具鏈、開源?CPU?核、開源關鍵?IP、開源芯粒（chiplet）技術；云化的芯片敏捷設計工具與平臺；針對海量場景打造領域專用體系結構（DSA）芯片創新平臺。 

面向自立自強信息技術新體系的網絡計算方向布局

基于?C?體系的信息技術生態的特征是開放、可控、安全、“聯邦制”。開放。經濟發展的雙循環強調以內循環為依托的新全球化，必須更加開放，所以新體系的生態首先要開放。可控。任何環節都不能被“卡脖子”。安全。智能時代物理世界與虛擬世界深度融合，對安全的要求更高。“聯邦制”。C?體系對應的經濟模型是“聯邦制”。信息技術與經濟緊密聯系，因此發展信息技術必須考慮經濟的要素。國際?IT?產業到處充滿了壟斷，經濟模型是“帝國制”；能不能用“聯邦制”構建信息產業的新生態，按照習近平總書記提出的構建人類命運共同體理念，共建數字空間的全球命運共同體，也許這是中國?IT?企業重新走向全球的一個新思路。

基于?C?體系的思路，可以把網絡計算方向的科研工作（圖?4）分成芯片、系統、互聯網絡、分布式系統、應用等層次。在芯片層，需要有開源?CPU、NPU、DPU（數據處理器）等多態加速器。在系統層，需要有高通量計算機、智能計算機、邊緣物端計算機等新型計算系統。在網絡層，需要有虛擬路由器、天地一體接入網等新型網絡設備。在分布式系統層，需要有算力網，將算力資源基礎設施化。計算所提出的“信息高鐵”信息基礎設施綜合試驗場的本質就是建立一個試驗算力網；過去的信息高速公路本質是數據網，“信息高鐵”是新一代的廣域分布式算力系統。上層是應用層，輿情、農業、紀檢等行業信息化都是一個個“信息高鐵”的“專列”。各層之間有些是依賴關系，有些是支撐關系。 

構建自立自強信息技術新體系需要科研新模式

構建新體系，科研工作要有新的模式。下面以計算所為例，說明圍繞計算技術新體系的構建，研究所的科研布局和科研模式要做怎樣的轉變。

計算所新布局。狹義的理解，C?體系在計算所內等于“卡脖子”芯片+“信息高鐵”；廣義的理解，還應加上智能計算系統，以及數據科學與計算智能，從而構成計算所“三橫一豎”的計算所新布局（圖?5）。“豎”是智能計算系統，可以把芯片、計算系統和數據科學連起來：“卡脖子”芯片是底座，“信息高鐵”是信息基礎設施，數據科學與計算智能作為?C?體系的時代驅動力。計算科學、網絡科學是曾經的時代驅動力，IT 1.0?階段主要靠計算科學驅動，IT 2.0?階段主要靠網絡科學驅動，IT 3.0?階段是靠數據科學與計算智能驅動。對計算所來說，做智能算法和做應用的研究，要起到類似“機頭”的作用，要與“信息高鐵專列”、智能計算機“專用機”、“卡脖子”芯片“DSA?專芯”緊密耦合，帶動整個?C?體系前進。

協同新模式。構建新體系比研制一個新設備要復雜得多，需要統籌科研院所、高校、企業研發機構力量，多個團隊協同作戰。如果用軍隊作戰來類比，一個研究所就像一個軍分區；而研究中心是基本作戰單元，是個“獨立團”。研究所最擅長的組織方式就是“獨立團”各打各的仗；其中，好一點的團隊創辦一個企業，形成研究中心與企業的協同模式。構建新體系要依賴新的組織模式，需要總指揮制，能夠指揮多個團隊打一場目標明確、混成協同的戰役。因此，未來在計算所等相關研究機構建立總指揮制的協同新模式是非常重要的。舉?2?個協同科研的例子：“信息高鐵”，計算所需要指揮?N?個研究團隊?+?M?個企業?+?1?個中科南京信息高鐵研究院共同參與；智能計算機，計算所需要?N?個研究團隊?+?之江實驗室?1?個研究中心?+?相關機構的?1?個創新中心共同參與。在形成協同新模式這件事上，要學習我國的音視頻編解碼標準?AVS?模式的成功經驗：AVS?的隊伍分布在全國各地，合起來可以干一件大一點的事情。同時，還需要思考未來怎么利用中國科學院所屬?4?所大學（以下簡稱“F4?大學”）的教育資源，促進科教融合和產教融合；以及，思考、摸索計算所關聯企業的產業資源的定位和分工，如何聯合優質創新力量。

      “4?個圈”新關系。10?多年前，計算所做戰略規劃時把內外部關系歸納成“4?個圈”。在構建新體系的新形勢下，這?4?個圈的位置關系發生了變化。如圖?6?所示，“4?個圈”不再是從中央向外擴散的關系，而是計算所從中央移動到左側，從左到右不斷放大、耦合。計算所在最左側作為源頭（第?1?個圈）；第?2?個圈是合作機構、計算所企業、國家實驗室、F4?大學；第?3?個圈是聯合實驗室企業、合作大學；第?4?個圈是圖靈企業（計算所圖靈基金投資企業）、計算所企業家俱樂部、校友會等。4?個圈相互耦合，就像用很多棋子布了一個局；如何共同做事，相互之間靠什么串聯起來，這是在構建信息技術新體系過程中需要思考的。

（作者：孫凝暉，中國科學院計算技術研究所、中國科學院大學 計算機科學與技術學院；《中國科學院院刊》供稿）

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