当前位置 :

关于美国未来战略计算方向的进一步分析

2016-12-22 李向阳(知远战略与防务研究所特约评论员)访问次数:

在前期分析的基础上,本报告聚焦于分析美国未来战略计算的选型方向[1]。本报告的主要结论如下:

²  目前几种未来战略计算所依赖的芯片当中,只有量子计算的芯片不受“摩尔定律”的约束

²  美国联邦政府负责组织实施未来战略计算研发计划的主管部门IARPA在量子计算研发布局方面启动时间早、项目安排周密,环环相扣;既立足现在,又考虑将来

²  美国主管未来战略计算的几大部门在量子计算领域相互配合之势呼之欲出

²  量子计算是美国未来战略计算的主要方向

 

1未来超级计算机用什么芯片?

在上一次提交的报告[2]当中指出美方在2015年年底举行的“国家战略计算倡议”(NSCI)一个内部研讨会中曾经分析了未来三种可能的新型计算模式,即“逼近计算”、“神经元计算”和“量子计算”。无论哪种计算模式,最终都涉及到硬件实现方式,即新型芯片的设计[3]

逼近计算目前的代表作之一是Google公司的基于深度学习算法的AlphaGo。而AlphaGo战胜人类围棋世界冠军背后的超级计算则是由所谓的“张量处理单元”(Tensor Processing Unit, TPU)专用芯片完成的[4]

神经元计算目前的代表作之一是IBM Watson实验室研发的TrueNorth芯片,其计算模式模拟人类的大脑神经末梢的工作原理[5]

无论是TPU还是TrueNorth,都有一个共同特点,即均是基于CMOS技术[6]。换言之,尽管这两种芯片目前在大数据处理、人工智能等应用领域炙手可热,但由于依然受限于“摩尔定律”极限,假以时日其他国家依然会追赶上来。因此对于美国的战略决策者而言,这不属于他们经常强调的改变游戏规则(Game changed)的颠覆性技术。

而在量子计算的硬件研发领域,无论是“超导型量子逻辑门”[7]、“离子阱量子门”[8],还是“半导体量子点”等主流方案均为不受“摩尔定律”限制的新型量子芯片。一旦这类新型芯片研发成功,上述深度学习算法或神经元计算模式就能移植或整合到这上面来,从而发挥更强大的作用。

因此,从未来新型芯片设计选型的角度来讲,量子芯片是目前美方唯一为未来战略计算而组织实施的技术路线[9]。而这一趋势对我而言还有更为深刻的启示,即要尽早从新型芯片体系架构和与之相适应的软件体系架构生态圈相互支撑方面进行谋划[10]

还需要指出一点的是,在探索未来新型计算模式的时候,人们往往会把是否能够突破统治计算机科学领域半个多世纪的冯诺依曼体系作为评判标准,即是否能够研发出新型的“非冯”体系架构的计算机。但这种评判标准过于粗放。例如,上述TrueNorth芯片就已经不再是冯诺依曼架构了[11],所以人们似乎可以将其称之为全新的“非冯”计算机。但事实上,真正评判未来战略计算模式的标准应当改为:是依然全部沿用CMOS芯片[12],或是使用(或至少部分使用)全新的非CMOS芯片?

2 纵向分析:IARPA “量子计算产品线” 的布局—3个阶段+1个分支

在美国政府2015719日颁布的“国家战略计算倡议”政府各部门的分工当中,IARPA居于核心地位,负责组织实施未来战略计算项目。

自从2007年开始,新成立不久的IARPA开始全面接管原属于NSA支配的量子计算项目资金,并对项目管理方式动了大手术[13]。尽管IARPA掌握的量子计算资金数目不详[14],但经过近十年的布局,目前已经初步形成“环环相扣、高低搭配”的项目群,并通过项目指南作为杠杆,广泛吸纳欧美各国及澳大利亚等“西方文明集团”的科研机构和企业参与研发。截至目前为止,IARPA在量子计算/量子信息科学领域的项目布局大致可以分为3个阶段(环环相扣)+1个分支(高低搭配):

1阶段[15]:量子计算/量子信息的物理实现阶段。其代表性项目为CSQ(相干超导量子比特项目,2008年),MQCO(多量子比特相干操控项目,2009年)[16]。主要集中在物理层量子调控的研究。

2阶段:量子计算机科学基础建设阶段。其代表性项目为QCS(量子计算机科学,2010年),主要研究未来量子计算机上运行的各种量子算法、所需的软硬件资源等。

3阶段:量子逻辑芯片研发。LogiQ项目。这是一个被IARPA项目主管誉为类似于“曼哈顿计划芝加哥一号反应堆”的核心项目[17]20162月由IBM中标,2021年项目终验。

上述项目群形成“金字塔”结构,其最终目标是使得美国能够在全球率先夺取量子信息科学的“圣杯”研发大规模容错型通用量子计算机[18]

特别令人关注的是, IARPA20155月发布的LogiQ项目招标文件当中,明确指出不考虑绝热型量子计算机方案。而这一方案的代表“D-Wave”是目前世界首款(唯一)投入商业应用的量子计算机[19]。为何IARPALogiQ项目中对D-Wave方案不予考虑?这一谜底在IBM近期发布的一份报告中部分得以揭晓[20]D-Wave所代表的“量子退火仿真器”属于量子计算机家族的“短线产品”。它不具备大规模可扩展性[21]。但另一方面,IARPA并未忽略这类短线产品,而是将其放在了下面这个与大规模容错型通用量子计算机“高低搭配”的位置。

1个分支:量子增强优化项目(QEO)。2016417日,IARPA专门启动了一项名为QEO(量子增强优化)的招标项目,其主要目标是在5年之内完成基于D-wave量子退火仿真器的试验床建设[22],并在该试验床上验证量子退火算法。

QEO项目与前面三个阶段的项目不同,不是指向大规模容错型通用量子计算机。那为何IARPA在“量子曼哈顿计划”[23]处于最关键的攻关阶段要分散资源来研发这个短线产品呢?答案是测试量子算法。

为了降低研发风险,IARPA在启动LogiQ项目,并为大规模容错型通用量子计算机做必要准备的同时,也在关注一旦这个高端产品研发成功,是否会成为“无米之炊”,即是否有足够多的量子加速算法供其使用[24]。而目前唯一[25]通过了实践检验的量子算法就是D-wave上运行的量子退火算法[26]。该算法在特定条件下比传统的计算机退火算法速度提高了一亿倍。为此,IARPA拟组织研发进一步检验量子退火算法的试验床(该试验床可以视为放大版的D-wave)。此外,由于退火算法本身在优化领域具有大量的应用案例(例如各种格式的大数据快速检索,这是国家情报总监办公室梦寐以求的“情报大数据分析”工具),具有足够的驱动力[27]

从以上分析可以看出,IARPA作为美国“国家战略计算倡议”的具体执行部门,集中资源在量子计算/量子信息科学领域进行了长时间的布局,规划较为周到、全面,目前已经进入最后的工程攻坚阶段。

3 横向分析:联邦政府几个主要部门的协同配合

众所周知,成立于“911”之后的美国国家情报总监办公室(ODNI)负责抓总协调美国各军兵种、情报机构(如CIANSA、国家侦查办公室等),以及主要的强力部门(如国务院、FBIDHS等),唯一不受该机构管辖的是美国国防部。而ODNI下属的IARPA则将自身定位为类似于国防部下属的DARPA的角色。因此观察ODNI/IARPADOD在量子计算研发方面的协同配合是判断该项技术是否成为美国政府未来战略方向决心的风向标之一。

2016年开始,DOD启动了面向高校创新驱动的“多学科交叉研究”项目[28]。而这系列项目中排名第一的就是量子计算与通信[29]。从项目指南中可以看到国防部与IARPA在量子计算领域的默契分工:即IARPA负责研发量子计算机,而国防部则关注量子计算机与现有计算机网络的“兼容性”[30]

在美国“国家战略计算倡议”当中,能源部是牵头的三个单位之一。DOE作为世界上最大的计算用户(之一,另一个是DOD),在2017财年也将启动2-3个量子计算试验床的建设,其主要目的类似于IARPA启动的QEO,重点测试DOE业务领域所关心的量子加速算法[31]

此外,NSA在整个量子计算研发过程中扮演的角色值得玩味,除了斯诺登透露出来的“攻克难关计划”之外,尽管尚未看到另外的计划,但在2015819日(即美国“国家战略计算倡议”发布一个月之后)国家安全局也公开宣布由于面临量子计算的威胁,计划将联邦政府各部门目前使用的B包密码算法从现有的ECC/RSA算法体系迁移到“抗量子算法”中去。这也可以从一个侧面反映该部门对量子计算的认识。而负责标准制定的部门NIST20162月正式面前全球公开了抗量子密码标准化的路线图[32],其总体时间安排也大致为8年左右,与国际上预估的通用型量子计算机研发步伐基本相符[33]

综上,美国联邦政府涉及未来战略计算的几个主要部门之间在过去短短一年甚至半年当中,围绕量子计算及其相关领域接连出台了(或者说公开了)一系列研发计划。种种项目安排的迹象均指向了这样一个事实:从技术可行性方面来讲,美国政府部门及产业界正在非常严谨、认真的考虑将量子计算选择为未来战略计算的主攻方向。

除了技术成熟度方面的考虑,美国政府是否像某些猜测所说的那样,是利用量子计算机在对其潜在战略对手进行战略欺骗吗?

4量子计算机研发计划是美国政府的战略欺骗计划吗?

在涉及美国国家大战略方向预判方面,有人可能会用当年美国采用“战略防御倡议”(即Strategic Defense Initiative,俗称“星球大战”计划)来误导并最终拖垮苏联为例,来怀疑此次美国方面大张旗鼓的开展量子计算机的研发是否也有类似的目的?

我们认为这种可能性很小。首先,星球大战计划是否真是起到了“战略欺骗”的作用,并没有严肃可靠的材料可以支撑这个论点。它充其量是“压垮骆驼的最后一根草”而已[34]。其次,从美国方面近期启动的第三次抵消战略来分析,量子计算本身就是其抵消战略的优选之一[35]。再次,尽管“量子计算机研发”被披上了“曼哈顿工程”的神秘面纱,但实际上美国官方在和平时期公开宣布大科技战略研发计划是一种常态[36],从1962年肯尼迪政府公开启动“阿波罗计划”[37]并在7年之后成功实现人类首次登月,直到以及近期的“脑科学”研究计划等等,均表明美国在整个国家发展战略方面也同样是“战略上藐视对手,战术上重视对手”。而且公开宣布国家战略也是1986年通过的美国《国防重组法案》所要求的[38]。最后,作为国家行为,量子计算机研发本身的投入并不算大。即使需要数十亿乃至上百亿美元的研发经费[39],这种量级的资金对于一个世界性大国而言并不是一个不堪重负的投入,所以也不存在所谓的“下一盘很大的棋”。

5 不是结尾的结束语美国人也非常强调继承自己的文化传统

尽管美国的建国史很短,尽管美国从欧洲大陆借鉴和继承了绝大多数科学、技术等先进文化,但有一样科学技术则是美国人的原创,那就是计算机/IT技术。此次中标IARPAIBMWatson实验室是世界计算机产业的鼻祖[40]1950年朝鲜战争刚刚爆发,IBM的总裁Watson Jr.就主动找到美国军方询问,他的公司能够为国家做点什么。当他被告知应当尽快研发计算设备以便满足美军军用飞机的设计、武器装备的生产优化管理等等的急迫应用需求之后,立即组织企业研发了19台世界上首批通用型科学计算设备—IBM 701型计算机[41],而这其中的18台机器立即被联邦政府各部门所采购[42]。美国人对计算有着一种“天生的图腾崇拜”。在美国国家战略计算倡议当中,就明确的提出要继承这一“国家文化传统”。

综上,我们认为量子计算已经成为美国国家战略计算的必然选择。



[1] 中科院量子信息技术重点实验室韩正甫教授、中电科中国网安徐兵杰博士、重庆大学计算机学院向涛教授等对此文亦有贡献。但最终结论尚未征求上述各位专家的意见。结论若有失偏颇,由本课题组成员负责。

[2]《美国量子计算机最新研发进展及影响分析》,CPS-DSC/IICS内部研究报告,2016.04.

[3] 这一假设的前提是未来新型计算机依然是基于“逻辑门”模式的数字化计算机(digital computer)。另外,在可预计的将来,美国方面也不可能突然选择一条“抛弃现有芯片产业”的技术路线。

[4] Google TPU团队负责人 Norm Jouppi Google Research 博客中介绍,TPU 专为机器学习应用打造,可以降低精度运算,因而能够在同样时间内处理更复杂、更强大的机器学习模型,并更快地将这些模型投入使用,用户也能得到更快速、更智能的回复,从而形成一个正循环。

[5] http://www.research.ibm.com/articles/brain-chip.shtml

[6] 同上。

[7] 参见IARPA LogiQ项目及中标单位 IBM Watson实验室的技术方案

[8] IARPA同时在LogiQ项目中也资助了澳大利亚悉尼大学从事离子阱方案的研究(从澳大利亚发布的资料来看,应该是LogiQ之前的某个项目。因为LogiQ项目的招标是20155月之后,而澳方取得的成果则是2015年公布的,从项目实施周期上看应该在前几年就获得了资助。这从澳方项目主管的一个谈话中也可印证)

[9] 量子计算机研发七步阶梯模型。参见《美国量子计算机最新研发进展及影响分析》,CPS-DSC/IICS内部研究报告,2016.04.

[10] 目前IT行业软硬件生态圈的总体形态是:由Intel X86指令集支撑上面各类软件开发(如Windows等),并且形成了强大的专利集群,从而遏制住了其他国家独立自主发展芯片产业的咽喉。以我国为例,为了实现自主可控的芯片研发,不得不采用其他体系结构(中科院龙芯采用MIPS、江南计算技术研究所的申威采用Alpha、国防科大和华为采用ARM),或者与外方合作开发(如上海兆光,中科曙光采用x86)。这种生态圈要么是脆弱的,即没有大量应用软件支持很难得以推广,要么依然受制于人。参见wodezhike 王强相关文章。

[11] 参见介绍TrueNorth芯片的维基百科

[12] 即使是最新的3CMOS芯片,依然受限于“摩尔定律”最终的极限—5纳米左右将不可避免的产生量子隧穿效应。

[13] http://www.nature.com/news/2009/090603/full/459625a.html  为了集中资源(和权利),IARPA甚至不惜砍掉NIST两位著名科学家主持的量子计算项目(均为离子阱方案,这两位科学家先后获得了诺贝尔物理学奖)

[14] IARPA一位负责官员Porter声称,该机构将2009财年资金的50-60%用于量子信息技术。虽然IARPA的项目预算受到情报保密法案的保护,无需公开,但人们可以从它的“偶像”DARPA的预算来大致推测其预算的规模。DARPA历年预算参见http://www.darpa.mil/about-us/budget 2017财年DARPA的预算申请是29.7亿美元。

[15] 事实上,从2008年开始IARPA就以量子信息科学(QIS)为总名称启动了一系列量子信息相关项目。参见scala-ip.org/crm/pdf/8-Berkeland IARPA QIS 2008.pdf   

[16] IBM亦参与了MQCO项目。

[17] 参见《美国量子计算机最新研发进展及影响分析》,CPS-DSC/IICS内部研究报告,2016.04

[18] nist.gov/pml/div684/upload/Response-from-IBM.pdf

[19] 关于D-Wave 的“量子特性”也是量子物理学家争论的焦点。以加州大学伯克利分校为一方质疑其“量子性”; 以南加州大学为另一方辩护其“量子性”。尽管如此,Google、洛马公司和NASA仍采购了D-Wave

[20] 见脚注16. 该报告的成形时间预计为20155月至20162月。

[21] D-Wave计算机的量子芯片没有至关重要的“量子纠缠”功能,而仅仅是使用“量子隧穿效应”来实现一种特定的仿真算法退火算法。

[22] https://www.iarpa.gov/index.php/research-programs/qeo/qeo-baa 十余家欧美著名高校和公司参与了竞标(包括已经中标LogiQ项目的IBM Watson实验室,D-wave的大型用户GoogleNASA等),从方案完整性来看,著名的MIT林肯实验室最为详细。详见关于《IARPA量子增强优化项目的初步分析》,CPS-DSC/IICS内部研究报告。整理中

[23] IARPALogiQ项目组织者David Moehring的发言

[24] 其他部门也有同样的分析结论。参见美国能源部20152月的《ASCAC量子计算科学报告》CPS-DSC/IICS编译,整理中

[25] 破解RSAShor算法目前仅仅是进行了简单的概念演示,例如证明量子设备可以把15分解为3乘以5

[26] D-wave上运行的量子退火算法最著名的成果就是Google公司用其来开发的海量图像智能检索技术。该核心技术目前正在Google公司其他产品线上得以快速推广。见Google公司刚刚推出的产品发布会。

[27] IBM Watson实验室在同一份反馈意见当中,针对目前量子计算研发目标不明也提出了类似建议。见脚注16.

[29] 注意这里的通信是指量子计算机与现有的电子计算机网络之间的通信,包括新的协议等等,与“量子通信”无关。

[30] 项目指南中明确提出的研发目标是:面向未来量子与经典计算设备交互(混杂)的情况,研究通信与计算的安全基础是什么?交互的协议是什么?复杂度如何?要求进行 “小规模”演示来验证其理论

[31] 参见DOE关于量子科学计算的技术报告。CPS-DSC/IICS编译。 整理中

[32] 同月,IARPA正式宣布IBMWatson实验室中标LogiQ项目

[33] 事实上,抗量子密码标准及所涉及的产品研发/产业化时间还必须要快于量子计算机的研发时间。

[34]更何况目前美方的战略导弹防御技术本身就源自当初公布的星球大战研发计划。

[35] 无论从量子算法基础理论研究、技术研发(未来新型计算机体系架构、软硬件)、工艺水平和能力等,均是美国方面的强项,我方的软肋。

[36] 这与第二次世界大战期间的“曼哈顿工程”有很大区别。公开其战略研发计划本身可以看做美国对其自身科技实力的自信,甚至是一种“软威慑”。

[37] 如同量子计算机研发计划是一个整体计划,并在前期已经实施了诸多子计划一样,“阿波罗计划”的前期基础是美国载人航天的“水星计划”。

[38] “对世界范围内的美国外交政策和国防能力进行综合性的阐述;对保护和提升国家利益、达成战略目标而必须运用的国力要素做出近期和中长期的规划;对美国实施其国家安全战略的能力进行评估。”美国《国防重组法案》

[39] 按照NIST的一个公开说法,量子计算机是“一五一十”的模式:即十五年左右时间,一座核电站供能,十亿美元研发投入。

[40] 该公司也有引以为傲的量子信息发展史参见脚注26IBM公司的应答文件。

[41] 该型计算机还与隶属美国陆军情报局(NSA的前身)的密码破译计算机Altas一起打过擂台,最后IBM 701稍胜一筹。

[42] 参见IBM公司发展史

 

[责任编辑:诺方知远]

共1条记录/1页  
[收藏]