二、先进计算技术

进入信息时代以来，人工智能、物联网、数字经济等新技术和新业态在推动社会数字化转型的同时，产生的海量数据给全球数据存储、处理和分析能力带来新的压力，推动着云计算、边缘计算和超级计算机等计算技术的迭代更新。2019年，先进计算技术稳步发展，全球超级计算机开始向百亿亿次级的运算能力迈进，将进一步提升人类对数据的处理能力；量子计算机研究进展超出业界预期；世界首款异构融合类脑芯片成功研发，为搭建通用性人工智能计算平台创造条件；系统硬件和软件工程的发展推动了信息技术与传统产业的深度融合。

（一）超级计算机

超级计算机是计算机中功能最强、运算速度最快、存储容量最大的一类计算机，多用于国家高科技领域和尖端技术研究，是国家科技发展水平和综合国力的重要标志，对国家安全、经济和社会发展具有举足轻重的意义。各个国家和地区均不断提升超级计算机性能，推动超级计算机在前沿科技领域的应用。

1.美国阿贡国家实验室、英特尔和克雷公司拟共建下一代超级计算机

2019年3月，美国阿贡国家实验室、芯片制造商英特尔和超级计算机制造商克雷公司拟共建美国下一代超级计算机“极光”。该超级计算机的浮点运算能力将达每秒百亿亿次级，计划在 2021年年底全面投入使用。“极光”将部署在美国阿贡国家实验室，可通过结合高性能计算和人工智能来解决现实问题，可用于模拟核爆炸、改善极端天气预报、加速医疗研发、绘制人类大脑图谱及开发新材料等领域。

2.欧盟斥资8.4亿欧元新建8个超算中心

2019年6月，欧盟宣布拟在保加利亚、捷克、芬兰、意大利、卢森堡、葡萄牙、斯洛文尼亚和西班牙建设8台超级计算机，其中3台将具备每秒15亿亿次浮点运算能力，其余5台将具备每秒4000万亿次浮点运算能力。兴建超级计算机是“欧洲高性能计算共同计划”的一部分，项目总预算高达8.4亿欧元。这些超级计算机将用于个性化医疗、药物和材料设计、生物工程、天气预报及气候变化等领域，预计于2020年下半年投入使用。

3.美国国家地理空间情报局使用超级计算机构建全球3D地图

2019年8月，美国国家地理空间情报局（National Geospatial-Intelligence Agency，NGA）与美国伊利诺伊大学（University of Illinois）、美国明尼苏达大学（University of Minnesota Twin Cities）和美国俄亥俄州立大学的研究人员合作，共同开展全球3D地图项目“EarthDEM”。研究人员将不同区域、不同角度的卫星图像发送至“蓝水”（Blue Waters）超级计算机，对图片进行分析并建立高度数据，最终拼接成全球 3D 地图。此前，美国明尼苏达大学的研究人员已与美国高校的研究人员合作制作了南极与北极的 3D 地图。研究人员表示，该项目仅使用卫星采集的平面图像即可生成3D模型。

4.印度提出“国家超级计算机任务”，拟研发60台超级计算机

2019年9月，印度提出“国家超级计算机任务”，拟研发60台超级计算机。印度超级计算机建造计划分3个阶段：第一阶段，制造6台超级计算机，初步掌握主板层面的集成与组装；第二阶段，制造 10 台超级计算机，将大部分集成和组装工作本土化；第三阶段，制造 44 台超级计算机，实现处理器以外所有部件的本土化。该项目将耗资6.27亿美元，旨在提升国家科研实力、保护国家安全。

5.日本新一代超级计算机“富岳”初步交付

2019年12月，日本新一代超级计算机“富岳”初步交付日本理化学研究所计算科学研究中心。“富岳”由日本理化学研究所和富士通公司合作开发，其运算速度将达到上一代超算“京”（Kei）的 100 倍，可用于推进材料开发和自然现象分析等科学研究，预计将于 2021年完成交付并投入运行。日本希望借助超级计算机推动自然灾害研究、生产技术创新及新药的开发。

（二）量子计算

量子计算机遵循量子力学规律处理量子信息，具备远超传统计算机的数学和逻辑运算能力，能为科学研究提供巨大的算力支持。当前，量子计算机仍然处于实验室研发阶段，通用量子计算机的研究仍面临消除量子噪声、减少数据丢失和纠错等问题，但全球范围内对量子计算的重视程度日益提升，量子计算技术科研攻关也在不断获得突破。

1.美国IBM公司推出全球首台量子计算一体机

2019年1月，美国IBM公司推出全球首台量子计算一体机IBM Q System One。该一体机包含启动一个量子计算实验所需的全部装置，如量子计算硬件冷却设备等，这是通用近似超导量子计算机（Universal Approximate Superconducting Quantum Computer）首次脱离实验室实现商用。但一些业界人士认为，该机器并不是一般意义上的商用量子计算机，其算力还远不如手机，主要将用于研究和教育方向。

2.日本理化学研究所提出混合量子位架构以解决量子计算关键障碍

2019年1月，日本理化学研究所领导的国际研究小组为量子计算设计了一个新的架构，通过将两种不同类型的量子位组合使用，构造出一个可以快速初始化和读取，且具有高准确度的量子计算设备。研究人员将单自旋量子位与单态—三重态自旋量子位同量子门结合起来，可使纠缠量子的自旋态在较长时间内保持相干性，为量子计算机的可扩展性研究提供了重要的参考。

3.美国IBM公司研发出可提升量子计算准确性的新方法

2019年3月，美国IBM公司研发出名为“零噪声外推”的方法，该方法可减轻量子计算机产生的噪声，提升量子计算的准确性。量子计算机运行时的噪声会影响计算结果，导致计算出现误差，因此，降低噪声及减少误差是提高量子计算机实用性的关键。采用“零噪声外推”，研究人员无须改进硬件设备，而是通过在不同噪声水平下进行重复计算，对量子计算机在没有噪声干扰下的计算结果进行估测，以此提升计算结果的准确性。

4.英法联合研究团队证实可用硅基电子元件构建量子计算机

2019年9月，英国剑桥大学（University of Cambridge）、英国伦敦大学学院（University College London）和法国电子和信息技术研究院联合团队证实可用传统硅基电子元件构建量子计算机。现阶段，量子计算机的开发仍处于起步期，最先进的原型机仍处于实验室阶段，离量产还有较远距离。联合团队的研究人员开发出一种可在接近绝对零度的状态下工作的电路，并用商用晶体管代替量子比特和量子桥，在硅基电子元件上模拟量子计算。该研究或将为量子计算机的量产铺平道路。

5.美国IBM公司发布一系列简化量子计算访问的新工具

2019年9月，美国IBM公司发布一系列简化量子计算访问的新工具。借助美国IBM公司最先进的系统和软件，研究人员可以通过网络访问IBM量子计算服务器，并展开测试。与此同时，教育工作者也能够直接借助美国 IBM 公司开发的工具，在课堂上动态展示硬件上的量子计算概念。此外，美国IBM公司还公开发布了量子计算相关教科书和视频教程，帮助研究人员理解并使用其量子计算最新成果。

6.谷歌在《自然》期刊发表其量子计算机最新成果

2019年10月，谷歌在《自然》期刊发表关于量子计算机最新成果的文章。谷歌的研究人员开发出新型54比特量子处理器Sycamore，以此构建的量子计算机能在200秒完成特定计算任务，而目前最先进的超级计算机需要一万年才能完成该任务。该研究成果首次证明了量子计算机远超传统计算机的优越性能，是计算机领域的里程碑事件，但量子计算机从实验室到实际应用仍然有很长的路要走。

7.中国量子计算研究团队突破量子计算模拟算法

2019年11月，国防科技大学、解放军信息工程大学等高校及科研机构组成的量子计算研究团队提出一种依赖量子纠缠度的量子计算模拟算法，并利用该算法开发出通用量子线路模拟器，实现了对随机量子线路采样问题的模拟。研究人员在“天河二号”超级计算机上测试了49、64、81和100等不同数目量子比特在不同量子线路深度下的问题实例，结果显示，该算法的计算性能达到国际领先水平。研究人员表示，该量子线路模拟器可用于评测量子计算机性能，将促进量子计算进一步发展。

（三）新型计算

人类进入数字时代以来，社会生产生活方式的变革及其对数据运算能力日益高涨的需求，推动着云计算、边缘计算和类脑计算等计算技术的产生。以云计算为代表的新型计算方式，在提升算力水平、优化算力分布和降低计算成本等方面发挥了不可替代的作用，也将推动大数据、物联网和人工智能等信息技术快速发展和传统产业数字化转型。

1.大众汽车和亚马逊联手开发工业云计算平台

2019年3月，大众汽车和亚马逊联手开发工业云计算平台，以管理汽车生产设施产生的所有数据。该平台将以亚马逊云服务技术为基础，把大众汽车所有工厂、机器和系统的数据集中起来，有助于大众汽车及早发现供应瓶颈和流程问题，优化机器和设备的运行，提高生产力。大众汽车与亚马逊还将拓展平台应用范围，把供应商和整个供应链上的合作伙伴纳入进来。大众汽车和亚马逊表示，该平台后续将面向其他汽车制造商开放。

2.微软与甲骨文整合云计算服务

2019年6月，微软和甲骨文（Oracle）达成一项协议，计划通过在两家公司的数据中心之间建立高速连接，使双方的云计算服务协同工作，以争取更多大型企业用户，同亚马逊云服务竞争。两家公司表示将共同努力，帮助双方共同的企业客户能够以单个用户名登录两家公司中任何一家公司的云服务，并从两家公司获得技术支持。微软与甲骨文表示，数据中心之间的高速连接将从美国东部设施开始实施，然后再扩展到其他地区设施。

3.澳大利亚皇家墨尔本理工大学使用计算机芯片模拟人类大脑

2019年7月，澳大利亚皇家墨尔本理工大学（Royal Melbourne Institute of Technology University）的研究人员使用芯片模拟人类大脑，并成功使用光线操纵神经元。研究使用的新型芯片由一种超薄材料制成，可根据不同波长的光线改变电阻，进而能够模拟神经元在大脑中存储和删除信息的工作方式。该技术使得计算机芯片能更好地模拟大脑的工作方式，有助于科学家更好地研究人工智能。

4.英特尔开发出拥有800万个数字神经元的计算机

2019年7月，英特尔开发出一个拥有800万个数字神经元的计算机系统，该系统可用于模拟人类大脑的研究。该系统名为Pohoiki Beach，拥有64个英特尔“罗希”（Loihi）芯片。该系统的数字神经元能够模拟轴突、树突和突触，并像传递神经刺激一样传递信号，在模拟真实大脑方面迈出了重要一步。英特尔表示，研究人员已将该系统用于模拟皮肤的触觉感应、控制假肢和玩桌上足球等任务。

5.美国密歇根大学开发出全球首个可编程忆阻器芯片

2019年7月，美国密歇根大学的研究人员开发出可直接在内存中执行计算的全球首个可编程忆阻器芯片。研究人员设计的忆阻器芯片集成了OpenRISC处理器、数模转换器、模数转换器和混合信号接口器，可将数据在忆阻器和主处理器之间转换。该芯片可在内存中执行计算，避免了处理器和内存间传输数据的功耗和延迟问题。在最高频率下，该芯片功耗仅为300毫瓦。研究人员表示，目前在内存中进行计算还面临计算速度低、稀疏编码难等问题。若这些问题得到解决，此类芯片将在边缘计算领域发挥重要作用。

6.清华大学开发出异构融合类脑芯片

2019年8月，清华大学的研究团队开发出异构融合类脑芯片“天机芯”。该芯片结合类脑架构和高性能算法，具有多个高度可重构的功能性核，可同时支持机器学习算法和现有类脑计算算法。研究人员通过在无人自行车的控制系统中整合一块“天机芯”，实现了自行车的自平衡、动态感知、目标探测、跟踪、自动避障、过障、语音理解和自主决策等功能，展现了“天机芯”对实时复杂指令的处理能力。该芯片有助于推动通用型人工智能计算平台发展。

（四）系统硬件与软件工程

计算设备不仅需要芯片和存储器等硬件设备提供高速运算能力，也需要算法和软件来实现最优运算路径和最快运算效率。计算设备整体算力的增长以系统硬件性能的提升和算法及软件的优化为基础。系统硬件和软件工程不仅保障超级计算机、量子计算机和新型计算机的正常运转，其应用场景的拓展也推动了信息技术与传统产业的深度融合。

1.英国贝尔法斯特女王大学设计出一套新的运算系统以降低智能设备的延迟

2019年1月，英国贝尔法斯特女王大学（Queen’s University Belfast）设计出一套新的运算系统，该系统可降低智能设备的延迟。目前的智能设备普遍需要通过互联网访问云端进行数据处理，导致智能设备普遍存在延迟问题。研究人员使用边缘计算技术开发出一个软件框架，该框架可以将智能设备的数据请求引入到在地理位置上更接近用户的服务端，加快数据访问和获取速度，进而为智能设备提供更快的解决方案。

2.美国斯坦福大学开发出用于超级计算机的新型编程语言

2019年7月，美国斯坦福大学研究小组开发出一种新型编程语言Regent，Regent可使超级计算机更易于操作。研究人员可利用 Regent 在概念层编写程序，超级计算机则可将程序编译至软件层Legion，并生成机器代码以执行精确指令，Regent和Legion之间的紧密集成使程序员能够更容易地完成操作。研究人员表示，超级计算机随着性能的提高，其复杂程度也今非昔比，Regent则能够降低超级计算机的使用难度。

3.SK海力士开发出新存储芯片，其数据处理速度较上代提高50%

2019年8月，SK海力士开发出业界处理速度最快的存储芯片HBM2E。与上代产品HBM2相比，HBM2E的数据处理速度提高了50%，单颗芯片容量提升至16吉比特。与采用模块封装形式并安装在系统板上的传统动态存储器产品不同，HBM系列芯片可以与图形处理器（GPU）和逻辑芯片等处理器紧密互连，其间距仅为几微米，可实现更快的数据传输，而 HBM2E 芯片将应用于数据吞吐量极大的高端GPU、超级计算机、机器学习和人工智能系统等尖端领域。

4.美国普渡大学开发出新型铁电场效应晶体管

2019年12月，美国普渡大学（Purdue University）成功开发出新型铁电场效应晶体管，该晶体管可用于构建同时处理和储存信息的单个芯片器件。铁电材料和硅材料的性质冲突，导致科学家无法在单个芯片中同时实现计算和存储。美国普渡大学的研究人员在铁电材料中加入α-硒化铟，解决了常规铁电材料中“带隙”引起的绝缘问题，从而实现了材料的半导体特性，制成了铁电场效应晶体管。研究人员表示，利用该晶体管研制的“铁电存储器”可在单个芯片中实现数据的存储和处理，将大幅提升信息与通信技术系统的计算效率。