通用计算根技术白皮书

序言一
从1946年世界上第一台电子计算机ENIAC诞生开始,信息技术不断加速发展,经历了多个发展阶段,已成为一个庞大的技术体系。信息产品和服务在技术驱动和应用拉动的双重作用下,造就了无数商业奇迹,创造了巨大的经济价值。信息产业成为最重要的产业门类之一,丰富和拓展了人类经济活动的历史和边界。信息技术的应用由浅入深,各种信息产品从辅助人的计算劳动,发展到能够辅助或替代部分人的智力劳动和决策活动。时至今日,算力建设风起云涌,计算从促进生产力的工具,正在逐步转变为新质生产力本身。信息化进程波澜壮阔,一个以计算能力为基础的感知万物、连接万物、为万物赋智的智能时代正加速到来,日益清晰地出现在我们眼前。
01通用计算是信息技术发展进步的主轴
在计算技术发展的历程中,始终存在着通用和专用两种产品定位和研发导向。专用计算的优点是对特定问题计算效率高、工作更快、功耗更低,而缺点在于灵活性不足,仅适用于一种场景,应用范围窄。早期的电子计算机都是为特定算法量身定制的,很难适应其他算法。比如ENIAC虽然在理论上是通用计算机,但它主要用于计算火炮的弹道射程表,如果需要计算不同的问题,就必须依靠人工调整接线来改变电路结构。冯·诺依曼架构的出现改变了这种局面,使计算机可以在通用硬件平台上执行多种不同的算法,奠定了通用计算的基础。通用计算的优点是实现了软件和硬件的解耦。硬件工程师可以不用关心具体场景,集中精力做好处理器的微架构和实现;软件工程师可以不用关心硬件细节,专注于软件编程,从而降低了开发的难度,使得软硬件都能实现轻装上阵。
2017年图灵奖的获得者John Hennessy和David Patterson曾提出计算机体系结构的五个时代,即晶体管无指令集时代、小规模和中等规模集成电路时代指令集架构出现、大规模和超大规模集成电路时代CISC和RISC的竞争、超大规模集成电路的多核处理器并行时代、超大规模的领域专用处理器(DSA)时代。从这个阶段划分可以看到,从大规模集成电路时代开始,通用计算就成为整个计算技术发展的主线,占据了压倒性的优势。这是供应和需求两方在技术、成本等多种现实因素约束下共同做出的最优选择,并在此基础上构建了今天体量庞大蓬勃兴盛的信息技术产业群。
回顾信息技术产业的发展历程,没有任何一个理论,能比1965年提出的摩尔定律更准确地刻画了通用计算产业发展的基本特征,更深刻地揭示了通用计算发展的内在机制。产业界沿着摩尔定律的预期和愿景经历了几十年的快速增长,晶体管密度和处理器性能获得了数百亿倍的提升,造就了一代又一代通用计算发展高峰使得信息技术的革命性作用成为可能。美国麻省理工学院Neil C.Thompson认为,计算技术是美国繁荣的最大贡献者之一,自1974年以来美国总生产力增长的三分之一来自信息技术,没有任何其它技术的进步速度和带动作用能与之相比。
摩尔定律是通用计算发展的主线,但如果只有计算性能的提升,还不足以支撑通用计算的成功。通用计算的发展并非是一个线性增长的直线进程,而是与专用计算密切关联不断交会互促互鉴。1987年,原日立公司总工程师牧本次生(Tsugio Makimoto)提出,集成电路发展过程中,芯片产品总是在“标准化”与“定制化”之间交替摆动,大概每十年波动一次。牧本波动(Makimoto’s Wave)揭示了产业界始终在围绕计算的性能、功耗、适用性和灵活性等各方面能力的提升进行多方面的探索,并最终体现为通用计算的功能不断丰富,技术升级换代,多种路线并存,成为全球信息化发展的技术底座。
02通用计算已成为大国满足发展和安全需求的竞争焦点
从现代经济增长理论的视角看,技术进步是经济增长的源泉之一,而长期的经济增长是由少数几种关键技术所推动的,这也就是斯坦福大学Bresnahan和特拉维夫大学Trajtenberg在1992年首次提出的通用目的技术(General Purpose Technology,简称GPT)。区别于仅用于某些具体用途的专用目的技术(SpecificPurpose Technology),GPT的应用范围通常十分广泛,因而它们对经济的作用是整体性的。例如,蒸汽机、电力技术、计算机就是最典型的通用目的技术。
通用目的技术有三个基本特性。一是普遍适用性(Pervasiveness),指该技术能广泛应用到各行各业,不存在明显的局限。二是动态演进性(Technological Dynamism),指该技术具有很大的发展空间和很快的进步速度,同时随着时间的推移,使用成本不断降低。三是创新互补性(Innovational Complementarities),指该技术在提高了应用部门的研发效率和生产收益之后,还会反过来促进该技术自身的进步,形成互相促进的良性循环。
对照经济学视角的分析,我们可以看出,在计算机技术体系中,正是通用计算技术最符合通用目的技术的以上特征。这很好地解释了为什么是通用计算路线成为了迄今计算技术发展的主流和基础,而且只要通用计算技术继续保持不断自我革新,不断丰富完善保持竞争力,还将成为未来计算机技术发展的中流砥柱,为经济增长带来动力。
在信息技术产业发展的大部分时间里,技术的发展和产业的兴盛主要发生在美国,美国成为全球主要的信息技术产品和服务供应方。总体来看美国信息技术产业发展的模式,可以总结为在开放环境下面向前沿问题,集聚全球人才、依靠全球资源、占据全球市场、获取全球红利。近年来随着全球化和信息化发展出现新的形势,美国继续靠这种开放条件下的发展战略来维持领先地位遇到了一些困难和挑战,也就带来了美国向产业政策的转变和回归,主要体现在直接干预经济活动的政策明显增多,以推动产业本土化和加强供应链韧性与安全为主要目标。
改革开放以来,我国充分抓住了全球产业分工重组的机会融入全球经济体系中,以前无古人的方式很好地发挥了自己的作用,为全球的经济繁荣作出了巨大的贡献,成为世界经济体系中不可或缺的重要一环。与此同时,我们敏锐地抓住了信息化发展的机会,利用信息技术的经济增长倍增器、发展方式转换器和产业升级助推器的作用有效提升了增长速度、改善了经济结构,提升了发展质量。我国已成长为全球第二大经济体,也培育出了极具竞争力的信息技术产业,拥有了一批全球知名的企业,为满足这些企业向产业链、价值链上游的提升,进入通用计算根技术领域是产业界在市场规律作用下自然而然的选择。

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