2018年先进计算发展研究报告.pdf

先进计算 发展研究报告 （ 2018 年） 中国信息通信研究院 2018年 12月 版权声明 本 研究 报告 版权属于 中国信息通信研究院 ，并受法律保护 。 转载、摘编或利用其它方式使用 本 研究 报告 文字或者观点的，应 注明 “ 来源： 中国信息通信研究院” 。违反上述声明者，本 院 将追究其相关法律责任。 前 言 作为信息技术领域的基础和核心，近半个世纪以来，不断涌现的计算技术浪潮推动着信息技术的持续发展和普及，对国民经济、社会发展发挥着基础性、渗透性、引领性的作用，是科技、经济和社会创新发展的重要推动力。 现代 计算技术起源于 1946 年 埃尼阿克 (ENIAC)的诞生，迄今为止已有超过七十年的发展历程，在半导体工艺器件、 CPU 芯片以及分布式、集群、异构等系统技术的推动之下，历经大型机 /小型机、PC/服务器、 集群 /分布式、小型化 /低功耗 等发展阶段， 成为 ICT 产业升级最快、创新最活跃的领域之一。 供给和需求的不匹配 推动计算技术产业 进入新一轮发展周期，人工智能、自动驾驶、物联网、 VR/AR 等创新应用取代基础软硬件成为创新新动能，面向不同应用计算需求的优化和加速将成为 近期先进 计算技术升级的主要思路。 当前， 技术创新模式和产业生态体系重构在即 ，开源开放的影响力日益凸显，多元化 的 生态发展趋势也 为后进入者带来更多的发展机遇。 目 录 一、 先进计算的内涵和体系 . 1 (一 ) 计算技术产业发展历程 . 1 (二 ) 对先进计算的理解 . 3 二、 现阶段先进计算总体发展态势 . 6 (一 ) 供需不匹配是目前计算技术产业面临的主要问题 . 6 1.固有计算技术升级模式遭遇天花板 . 6 2.应用创新对计算需求的增速远超摩尔定律 . 8 (二 ) 短期内需 求驱动创新将主导计算技术产业的升级 . 9 1.发展动能转换：应用取代基础软硬件成为创新新动能 . 10 2.发展模式变换：以融合专用加速的系统优化为主 . 11 三、 现 阶段先进计算创新重点 . 13 (一 ) 器件技术：多路径推动摩尔定律持续演进 . 13 (二 ) 部件技术：三大计算单元加速协同创新 . 16 1.数据处理 单元 . 17 2.数据存储单元 . 21 3.数据交换单元 . 23 (三 ) 系统技术：围绕应用需求展开体系化 升级 . 23 1.异构及可重构 . 24 2.分布式及集群 . 28 3.内存计算及存算一体化 . 32 (四 ) 非冯诺依曼架构：量子和类脑成为探索重要方向 . 33 四、 近期发展趋势与展望 . 36 (一 ) 创新应用是计算技术产业升 级的首要驱动力 . 37 (二 ) 开放融合是先进计算技术创新的主导模式 . 38 (三 ) 先进计算产业生态进入多元化重构期 . 40 中国信息通信研究院 先进计算 发展研究报告 （ 2018 年） 1 一、 先进计算 的 内涵和体系 (一 ) 计算技术产业 发展历程 计算技术与人类文明同期起步， 历经手动、机械、电动及电子四大阶段。 手动计算阶段最早可溯源至远古时代，人类早期通过手指或石子、木棍、结绳等工具实现计数和简单计算， 后期随着数学理论的发展逐渐衍生出算筹、算盘、计算尺等计算工具，此时计算的实现以人自身的逻辑计算为主，工具只是辅助实现手段。十七世纪初， 伴随人类机械制造能力的不断进步， 可用于实现计算的机械装置也日益复杂，包括计算钟、计算器、差分机、分析机等多种基于齿轮传送等机械原理实现的计算机层出不穷， 相比较手动阶段而言，极大提升了计算能力。十九世纪末， 电机工程学的进步和电的发现 及 使用给人类社会 带来深刻影响的同时，也推动了机械式计算机的又一次进步，电力 不仅成为计算设备 的 动力 来源， 带动 包括制表机、 祖思机等一系列复杂计算装置的发展， 也推动了后续二进制数字计算机的快速实现 。 二十世纪四十年代后，诞生于美国的 埃尼阿克 (ENIAC)标志着 计算电子化时代 的开启，自此后 七十 多年里，计算技术 的性价比 保持 指数级 增速 ，成为 科技创新、社会进步和经济增长的重要驱动力， 据研究机构表明， 数字化程度每提高 10%，人均 GDP 增长 0.5-0.6%。 自动化电子化推动计算技术的 规模普惠和计算产业的 快速繁荣 。计算技术 是 伴随 人类实践的需求演进而逐步发展的 ， 按照物理实现手段的不同，可分为电子管、晶体管和集成电路三个阶段。因二战中弹道计算等需求的激增，各国均加大对计算技术的研发投入力度，科学先进计算 发展研究报告 （ 2018 年） 中国 信息通信研究院 2 与军事应用需求推动计算设备的快速发展 ， 先是 电子管 因 超过千倍 的开关速度提升取代继电器成为计算机的核心运算部件，而后晶体管计算机 因在开关速度、省电和使用寿命的更优表现取代电子管计算机成为上世纪六十年代 后期的计算主体设备。 此后 ，各国因 二 战后发展经济的需求，将原用于军事领域的计算技术 应用 到国民经济重要行业，使得其在银行、保险、股票等 文书 类 工作量较大的行业中快速普及，开启计算技术由军用科研 向 民用领域 渗透 的前奏 ，在公共服务领域的深入应用最终推动计算技术的快速繁荣和大量 普及 。 目前 计算技术以 冯诺依曼 架构 为 基础 ， 围绕 数据处理、数据存储 、数据交互 三大 能力 要素不断 演进 升级 。 1945 年 冯 诺依曼 正式提出计算机体系架构，后被广泛称之为“冯诺依曼体系架构 1” ，主要内容包括三方面：一是采用二进制进行计算；二是基于存储程序控制理念，计算机按照预先编制好的程序顺序执行 完成计算过程 ；三是计算设备包括 运算器、控制器、存储器、输入装置和输出装置五大 组成 部件。从 每秒可 进行数千次计算的埃尼阿克 (ENIAC)起，到至今每秒 已达到数亿亿次运算的中国 “ 神威 太湖之光 ” 超级计算机， 计算技术在遵循 冯诺依曼 体系结构 的前提下，围绕数据处理、数据存储和数据交互展开了快速创新迭代。 数据处理方面， 集成了控制器和运算器功能的中央处理器 CPU 成为计算系统的核心，并逐渐引入 图形处理器 GPU、数字信号处理器 DSP、 现场可编程门阵列 FPGA等多 样化运算器单元。数据存储方面， 随着 汞延迟线 、穿孔卡片、磁带、动态随机存取内存1首次发表于 冯诺依曼与戈德斯坦、勃克斯等联名发表 First Draft of a Report on the EDVAC，即计算机史上著名的“ 101 页报告” 中。 中国信息通信研究院 先进计算 发展研究报告 （ 2018 年） 3 DRAM、软盘、硬盘、闪存等存储介质 的 存储密度、读写效率不断发展的同时， 整体存储 架构也在 快速变化，历经 总线架构 、交换式架构、矩阵直连架构、分布式架构、全共享交换式架构等多种， 推动数据存储 的 高性能、高可靠和 灵活扩展 升级 。 数据交互方面， 包括 单计算设备内部的 总线技术 ，以及多计算设备间数据互通的 以太网 技术 等均围绕高速率、高带宽、低延时等 方面升级数据交换能力，提升整体计算系统的效能表现 。 (二 ) 对先进计算的理解 先进计算并非特指 某项具体的 计算技术，而是面向未来的多种计算技术的统称。 现阶段 基于不同层面、不同角度、不同应用 场景的计算技术创新层出不穷，各种计算技术、产品及概念不断涌现， 从与技术创新相关的专业领域角度来看，先进计算技术创新将是 涵盖原理、材料、工艺、器件、系统、算法、网络架构、应用等在内的系统工程 ，在不同阶段 将 具有不同的发展特征和发展重点 。 短 期来看 ， 基于硅基冯诺依曼 架构 的现代计算技术仍然构成先进计算 的主体， 面向不同应用需求的系统优化成为 技术创新重点方向 ， 器件及芯片、系统技术和应用技术等 将 同步发展 。 长期 而言 ， 因硅基集成电路的物理极限和冯诺依曼架构的固有瓶颈， 量子 /类脑等 非冯诺依曼架构 计算技术的 突破和产业化将是支撑 先进计算未来 持续快速升级的重要动力 。 现代 计算技术演进至今 ，已 形成 相对清晰的技术分层体系。 主要包括基础理论、器件技术、部件技术、系统技术和应用技术 等 五大部分。 其中， 基础理论 层 是指 奠定 现代计算技术 的理论基础，阿兰图先进计算 发展研究报告 （ 2018 年） 中国 信息通信研究院 4 灵 提出可计算理论 和计算机通用逻辑模型 “图灵机” ， 到目前为止依然是评判可计算性的唯一模型； 香农 提出可运用布尔理论实现数学问题、 逻辑问题 和 物理实现间的映射 ，是 采用二进制实现 计算 技术的理论指导 ； 冯 诺依曼提出计算机的构成要素及运作机制， 成为实现现代计算机的核心架构。 器件技术层 是指构成计算设备和计算系统所需的电子器件技术， 目前主要 指与超大规模集成电路实现相关的 设计、制造及封测技术。 部件技术层 包括 构成计算设备和计算系统的芯片、模块等，主要可分为计算部件、存储部件和通信部件 等 三大 单元，计算部件 指 CPU、 GPU 和 FPGA 等数据处理硬件， 存储部件指 内存、外存 等数据存储硬件，通信部件是计算部件和存储部件间实现数据交互的 硬件。 系统技术层 是指 面向不同应用场景需求 构建 多样化计算系统所需的系统架构、互联架构、存储架构 等硬件技术和资源 管理 、任务调度 等软件技术 。 现阶段对 计算系统 的分类并无统一定义 ，根据任务调度模式的不同可分为 集中式 计算和分布式计算等，根据计算资源种类的不同可分为异构计算和可重构计算等， 根据 计算所需数据存储位置的不同可分为内存计算和存算一体化 等， 面向不同应用需求的计算系统技术不仅存在较大差异，且 存在融合发展的 趋势 。 应用技术层 是指 多类应用所需的 通用功能性技术，目前主要包括数据库、图形图像处理、数字多媒体、安全防护等 。 中国信息通信研究院 先进计算 发展研究报告 （ 2018 年） 5 图 1 基于冯诺依曼的现代计算技术体系 量子 及类脑等非冯诺依曼 架构计算技术 体系仍未固定 ，并将因基础原理、物理材料等多方面的巨大差异而较难形成统一 体系。 通过 颠覆 冯诺依曼架构 ， 开拓计算技术发展的新路径始终是业界的探索方向，现阶段量子和类脑是发展的热点。整体而言，非冯诺依曼架构将与冯诺依曼架构存在巨大差异， 现阶段围绕 量子和类脑 两大热点 的探索 实现 也非常多样化，在基础理论、物理实现、核心硬件、算法软件等诸多环节 均未 形成统一定论，非冯诺依曼计算技术整体发展仍处于较为初期的阶段 ， 在可预见的 很长时间内， 其仍 将基于与 现代 计算体系融合发展的理念进行推进 。 综上所述，先进计算涉及面广、技术要素庞杂， 2018 年 本 研究报告 将重点围绕未来 3-5 年先进计算领域的核心技术展开分析， 探讨技术创新的总体态势和 发展 重点，并 对 量子计算、类脑计算等目前业界较为关注的颠覆性技术 进行研判。 先进计算 发展研究报告 （ 2018 年） 中国 信息通信研究院 6 二、 现阶段 先进计算 总体 发展 态势 (一 ) 供需不匹配是 目前 计算技术 产业 面临的主要问题 1.固有计算技术升级模式遭遇天花板 二十一世纪以来， 计算技术升级 速度 逐渐放缓 ，起因于芯片主频提升、多核数目堆叠、工艺尺寸微缩等固有升级路径 因 遭遇瓶颈而渐次失效，主要体现在 以下四 方面 ： 一是 晶体管尺寸因 不断逼近物理极限 而减缓微缩 。 半个多世纪以来，晶体 管尺寸微缩带动的性能提升、成本降低是推动集成电路制造工艺持续演进 和 计算技术指数级增长的重要驱动力 。 自工艺进入 10纳米 节点以后 ， 晶体管 性能随 尺寸微缩 提升幅度趋缓， 主要表现在：晶体管 集成度 提升 减缓， 7 纳米节点 单位晶体管面积缩小了 20%-30%，小于上一代的 37%；功耗优化减缓， 7 纳米节点 功耗降低 约 10-25%，小于上一代的 30%；金属线 宽 的 缩小导致 阻抗上升 ， RC 延迟 不利于 芯片性能 提高。此外， 纳米 节点制造工艺对 光刻精度 的要求快速提升 ，现阶段极紫外 光刻（ EUV） 工艺 仍不 成熟 。 二是 因 芯片 过热 而 不可无限提升主频 。 依赖主频 提升 处理器单核性能是相对简单 且 高效的实现方法， 但 随着工艺 尺寸 稳步 缩小， 单位面积的晶体管数量翻倍增加，热累 积 效应 愈加明显 ， 处理器的功耗 正以 正比于主频的三次方 量级 高速增长 。 当处理器 主频 超过 4GHz 后，高频率下电子 高 迁移 速率 以及 栅 漏电现象导致产热量增加 ，使 温度上升造成的性能损失超过 主频对 性能 的 提升 ， 同时衍生 重大 的 散热问题。受限于封装 和 降温成本的考虑， 芯片主频 的升级 自 2005 年 后即逐步