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關于美國未來戰略計算方向的進一步分析

2016-12-22 李向陽(知遠戰略與防務研究所特約評論員)訪問次數:

在前期分析的基礎上,本報告聚焦于分析美國未來戰略計算的選型方向[1]。本報告的主要結論如下:

²  目前幾種未來戰略計算所依賴的芯片當中,只有量子計算的芯片不受“摩爾定律”的約束

²  美國聯邦政府負責組織實施未來戰略計算研發計劃的主管部門IARPA在量子計算研發布局方面啟動時間早、項目安排周密,環環相扣;既立足現在,又考慮將來

²  美國主管未來戰略計算的幾大部門在量子計算領域相互配合之勢呼之欲出

²  量子計算是美國未來戰略計算的主要方向

 

1未來超級計算機用什么芯片?

在上一次提交的報告[2]當中指出美方在2015年年底舉行的“國家戰略計算倡議”(NSCI)一個內部研討會中曾經分析了未來三種可能的新型計算模式,即“逼近計算”、“神經元計算”和“量子計算”。無論哪種計算模式,最終都涉及到硬件實現方式,即新型芯片的設計[3]

逼近計算目前的代表作之一是Google公司的基于深度學習算法的AlphaGo。而AlphaGo戰勝人類圍棋世界冠軍背后的超級計算則是由所謂的“張量處理單元”(Tensor Processing Unit, TPU)專用芯片完成的[4]

神經元計算目前的代表作之一是IBM Watson實驗室研發的TrueNorth芯片,其計算模式模擬人類的大腦神經末梢的工作原理[5]

無論是TPU還是TrueNorth,都有一個共同特點,即均是基于CMOS技術[6]。換言之,盡管這兩種芯片目前在大數據處理、人工智能等應用領域炙手可熱,但由于依然受限于“摩爾定律”極限,假以時日其他國家依然會追趕上來。因此對于美國的戰略決策者而言,這不屬于他們經常強調的改變游戲規則(Game changed)的顛覆性技術。

而在量子計算的硬件研發領域,無論是“超導型量子邏輯門”[7]、“離子阱量子門”[8],還是“半導體量子點”等主流方案均為不受“摩爾定律”限制的新型量子芯片。一旦這類新型芯片研發成功,上述深度學習算法或神經元計算模式就能移植或整合到這上面來,從而發揮更強大的作用。

因此,從未來新型芯片設計選型的角度來講,量子芯片是目前美方唯一為未來戰略計算而組織實施的技術路線[9]。而這一趨勢對我而言還有更為深刻的啟示,即要盡早從新型芯片體系架構和與之相適應的軟件體系架構生態圈相互支撐方面進行謀劃[10]

還需要指出一點的是,在探索未來新型計算模式的時候,人們往往會把是否能夠突破統治計算機科學領域半個多世紀的馮?諾依曼體系作為評判標準,即是否能夠研發出新型的“非馮”體系架構的計算機。但這種評判標準過于粗放。例如,上述TrueNorth芯片就已經不再是馮?諾依曼架構了[11],所以人們似乎可以將其稱之為全新的“非馮”計算機。但事實上,真正評判未來戰略計算模式的標準應當改為: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 縱向分析:IARPA “量子計算產品線” 的布局—3個階段+1個分支

在美國政府2015719日頒布的“國家戰略計算倡議”政府各部門的分工當中,IARPA居于核心地位,負責組織實施未來戰略計算項目。

自從2007年開始,新成立不久的IARPA開始全面接管原屬于NSA支配的量子計算項目資金,并對項目管理方式動了大手術[13]。盡管IARPA掌握的量子計算資金數目不詳[14],但經過近十年的布局,目前已經初步形成“環環相扣、高低搭配”的項目群,并通過項目指南作為杠桿,廣泛吸納歐美各國及澳大利亞等“西方文明集團”的科研機構和企業參與研發。截至目前為止,IARPA在量子計算/量子信息科學領域的項目布局大致可以分為3個階段(環環相扣)+1個分支(高低搭配):

1階段[15]:量子計算/量子信息的物理實現階段。其代表性項目為CSQ(相干超導量子比特項目,2008年),MQCO(多量子比特相干操控項目,2009年)[16]。主要集中在物理層量子調控的研究。

2階段:量子計算機科學基礎建設階段。其代表性項目為QCS(量子計算機科學,2010年),主要研究未來量子計算機上運行的各種量子算法、所需的軟硬件資源等。

3階段:量子邏輯芯片研發。LogiQ項目。這是一個被IARPA項目主管譽為類似于“曼哈頓計劃芝加哥一號反應堆”的核心項目[17]20162月由IBM中標,2021年項目終驗。

上述項目群形成“金字塔”結構,其最終目標是使得美國能夠在全球率先奪取量子信息科學的“圣杯”研發大規模容錯型通用量子計算機[18]

特別令人關注的是, IARPA20155月發布的LogiQ項目招標文件當中,明確指出不考慮絕熱型量子計算機方案。而這一方案的代表“D-Wave”是目前世界首款(唯一)投入商業應用的量子計算機[19]。為何IARPALogiQ項目中對D-Wave方案不予考慮?這一謎底在IBM近期發布的一份報告中部分得以揭曉[20]D-Wave所代表的“量子退火仿真器”屬于量子計算機家族的“短線產品”。它不具備大規模可擴展性[21]。但另一方面,IARPA并未忽略這類短線產品,而是將其放在了下面這個與大規模容錯型通用量子計算機“高低搭配”的位置。

1個分支:量子增強優化項目(QEO)。2016417日,IARPA專門啟動了一項名為QEO(量子增強優化)的招標項目,其主要目標是在5年之內完成基于D-wave量子退火仿真器的試驗床建設[22],并在該試驗床上驗證量子退火算法。

QEO項目與前面三個階段的項目不同,不是指向大規模容錯型通用量子計算機。那為何IARPA在“量子曼哈頓計劃”[23]處于最關鍵的攻關階段要分散資源來研發這個短線產品呢?答案是測試量子算法。

為了降低研發風險,IARPA在啟動LogiQ項目,并為大規模容錯型通用量子計算機做必要準備的同時,也在關注一旦這個高端產品研發成功,是否會成為“無米之炊”,即是否有足夠多的量子加速算法供其使用[24]。而目前唯一[25]通過了實踐檢驗的量子算法就是D-wave上運行的量子退火算法[26]。該算法在特定條件下比傳統的計算機退火算法速度提高了一億倍。為此,IARPA擬組織研發進一步檢驗量子退火算法的試驗床(該試驗床可以視為放大版的D-wave)。此外,由于退火算法本身在優化領域具有大量的應用案例(例如各種格式的大數據快速檢索,這是國家情報總監辦公室夢寐以求的“情報大數據分析”工具),具有足夠的驅動力[27]

從以上分析可以看出,IARPA作為美國“國家戰略計算倡議”的具體執行部門,集中資源在量子計算/量子信息科學領域進行了長時間的布局,規劃較為周到、全面,目前已經進入最后的工程攻堅階段。

3 橫向分析:聯邦政府幾個主要部門的協同配合

眾所周知,成立于“9?11”之后的美國國家情報總監辦公室(ODNI)負責抓總協調美國各軍兵種、情報機構(如CIANSA、國家偵查辦公室等),以及主要的強力部門(如國務院、FBIDHS等),唯一不受該機構管轄的是美國國防部。而ODNI下屬的IARPA則將自身定位為類似于國防部下屬的DARPA的角色。因此觀察ODNI/IARPADOD在量子計算研發方面的協同配合是判斷該項技術是否成為美國政府未來戰略方向決心的風向標之一。

2016年開始,DOD啟動了面向高校創新驅動的“多學科交叉研究”項目[28]。而這系列項目中排名第一的就是量子計算與通信[29]。從項目指南中可以看到國防部與IARPA在量子計算領域的默契分工:即IARPA負責研發量子計算機,而國防部則關注量子計算機與現有計算機網絡的“兼容性”[30]

在美國“國家戰略計算倡議”當中,能源部是牽頭的三個單位之一。DOE作為世界上最大的計算用戶(之一,另一個是DOD),在2017財年也將啟動2-3個量子計算試驗床的建設,其主要目的類似于IARPA啟動的QEO,重點測試DOE業務領域所關心的量子加速算法[31]

此外,NSA在整個量子計算研發過程中扮演的角色值得玩味,除了斯諾登透露出來的“攻克難關計劃”之外,盡管尚未看到另外的計劃,但在2015819日(即美國“國家戰略計算倡議”發布一個月之后)國家安全局也公開宣布由于面臨量子計算的威脅,計劃將聯邦政府各部門目前使用的B包密碼算法從現有的ECC/RSA算法體系遷移到“抗量子算法”中去。這也可以從一個側面反映該部門對量子計算的認識。而負責標準制定的部門NIST20162月正式面前全球公開了抗量子密碼標準化的路線圖[32],其總體時間安排也大致為8年左右,與國際上預估的通用型量子計算機研發步伐基本相符[33]

綜上,美國聯邦政府涉及未來戰略計算的幾個主要部門之間在過去短短一年甚至半年當中,圍繞量子計算及其相關領域接連出臺了(或者說公開了)一系列研發計劃。種種項目安排的跡象均指向了這樣一個事實:從技術可行性方面來講,美國政府部門及產業界正在非常嚴謹、認真的考慮將量子計算選擇為未來戰略計算的主攻方向。

除了技術成熟度方面的考慮,美國政府是否像某些猜測所說的那樣,是利用量子計算機在對其潛在戰略對手進行戰略欺騙嗎?

4量子計算機研發計劃是美國政府的戰略欺騙計劃嗎?

在涉及美國國家大戰略方向預判方面,有人可能會用當年美國采用“戰略防御倡議”(即Strategic Defense Initiative,俗稱“星球大戰”計劃)來誤導并最終拖垮蘇聯為例,來懷疑此次美國方面大張旗鼓的開展量子計算機的研發是否也有類似的目的?

我們認為這種可能性很小。首先,星球大戰計劃是否真是起到了“戰略欺騙”的作用,并沒有嚴肅可靠的材料可以支撐這個論點。它充其量是“壓垮駱駝的最后一根草”而已[34]。其次,從美國方面近期啟動的第三次抵消戰略來分析,量子計算本身就是其抵消戰略的優選之一[35]。再次,盡管“量子計算機研發”被披上了“曼哈頓工程”的神秘面紗,但實際上美國官方在和平時期公開宣布大科技戰略研發計劃是一種常態[36],從1962年肯尼迪政府公開啟動“阿波羅計劃”[37]并在7年之后成功實現人類首次登月,直到以及近期的“腦科學”研究計劃等等,均表明美國在整個國家發展戰略方面也同樣是“戰略上藐視對手,戰術上重視對手”。而且公開宣布國家戰略也是1986年通過的美國《國防重組法案》所要求的[38]。最后,作為國家行為,量子計算機研發本身的投入并不算大。即使需要數十億乃至上百億美元的研發經費[39],這種量級的資金對于一個世界性大國而言并不是一個不堪重負的投入,所以也不存在所謂的“下一盤很大的棋”。

5 不是結尾的結束語美國人也非常強調繼承自己的文化傳統

盡管美國的建國史很短,盡管美國從歐洲大陸借鑒和繼承了絕大多數科學、技術等先進文化,但有一樣科學技術則是美國人的原創,那就是計算機/IT技術。此次中標IARPAIBMWatson實驗室是世界計算機產業的鼻祖[40]1950年朝鮮戰爭剛剛爆發,IBM的總裁Watson Jr.就主動找到美國軍方詢問,他的公司能夠為國家做點什么。當他被告知應當盡快研發計算設備以便滿足美軍軍用飛機的設計、武器裝備的生產優化管理等等的急迫應用需求之后,立即組織企業研發了19臺世界上首批通用型科學計算設備—IBM 701型計算機[41],而這其中的18臺機器立即被聯邦政府各部門所采購[42]。美國人對計算有著一種“天生的圖騰崇拜”。在美國國家戰略計算倡議當中,就明確的提出要繼承這一“國家文化傳統”。

綜上,我們認為量子計算已經成為美國國家戰略計算的必然選擇。



[1] 中科院量子信息技術重點實驗室韓正甫教授、中電科中國網安徐兵杰博士、重慶大學計算機學院向濤教授等對此文亦有貢獻。但最終結論尚未征求上述各位專家的意見。結論若有失偏頗,由本課題組成員負責。

[2]《美國量子計算機最新研發進展及影響分析》,CPS-DSC/IICS內部研究報告,2016.04.

[3] 這一假設的前提是未來新型計算機依然是基于“邏輯門”模式的數字化計算機(digital computer)。另外,在可預計的將來,美國方面也不可能突然選擇一條“拋棄現有芯片產業”的技術路線。

[4] Google TPU團隊負責人 Norm Jouppi Google Research 博客中介紹,TPU 專為機器學習應用打造,可以降低精度運算,因而能夠在同樣時間內處理更復雜、更強大的機器學習模型,并更快地將這些模型投入使用,用戶也能得到更快速、更智能的回復,從而形成一個正循環。

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

[6] 同上。

[7] 參見IARPA LogiQ項目及中標單位 IBM Watson實驗室的技術方案

[8] IARPA同時在LogiQ項目中也資助了澳大利亞悉尼大學從事離子阱方案的研究(從澳大利亞發布的資料來看,應該是LogiQ之前的某個項目。因為LogiQ項目的招標是20155月之后,而澳方取得的成果則是2015年公布的,從項目實施周期上看應該在前幾年就獲得了資助。這從澳方項目主管的一個談話中也可印證)

[9] 量子計算機研發七步階梯模型。參見《美國量子計算機最新研發進展及影響分析》,CPS-DSC/IICS內部研究報告,2016.04.

[10] 目前IT行業軟硬件生態圈的總體形態是:由Intel X86指令集支撐上面各類軟件開發(如Windows等),并且形成了強大的專利集群,從而遏制住了其他國家獨立自主發展芯片產業的咽喉。以我國為例,為了實現自主可控的芯片研發,不得不采用其他體系結構(中科院龍芯采用MIPS、江南計算技術研究所的申威采用Alpha、國防科大和華為采用ARM),或者與外方合作開發(如上海兆光,中科曙光采用x86)。這種生態圈要么是脆弱的,即沒有大量應用軟件支持很難得以推廣,要么依然受制于人。參見wodezhike 王強相關文章。

[11] 參見介紹TrueNorth芯片的維基百科

[12] 即使是最新的3CMOS芯片,依然受限于“摩爾定律”最終的極限—5納米左右將不可避免的產生量子隧穿效應。

[13] http://www.nature.com/news/2009/090603/full/459625a.html  為了集中資源(和權利),IARPA甚至不惜砍掉NIST兩位著名科學家主持的量子計算項目(均為離子阱方案,這兩位科學家先后獲得了諾貝爾物理學獎)

[14] IARPA一位負責官員Porter聲稱,該機構將2009財年資金的50-60%用于量子信息技術。雖然IARPA的項目預算受到情報保密法案的保護,無需公開,但人們可以從它的“偶像”DARPA的預算來大致推測其預算的規模。DARPA歷年預算參見http://www.darpa.mil/about-us/budget 2017財年DARPA的預算申請是29.7億美元。

[15] 事實上,從2008年開始IARPA就以量子信息科學(QIS)為總名稱啟動了一系列量子信息相關項目。參見scala-ip.org/crm/pdf/8-Berkeland IARPA QIS 2008.pdf   

[16] IBM亦參與了MQCO項目。

[17] 參見《美國量子計算機最新研發進展及影響分析》,CPS-DSC/IICS內部研究報告,2016.04

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

[19] 關于D-Wave 的“量子特性”也是量子物理學家爭論的焦點。以加州大學伯克利分校為一方質疑其“量子性”; 以南加州大學為另一方辯護其“量子性”。盡管如此,Google、洛馬公司和NASA仍采購了D-Wave

[20] 見腳注16. 該報告的成形時間預計為20155月至20162月。

[21] D-Wave計算機的量子芯片沒有至關重要的“量子糾纏”功能,而僅僅是使用“量子隧穿效應”來實現一種特定的仿真算法退火算法。

[22] https://www.iarpa.gov/index.php/research-programs/qeo/qeo-baa 十余家歐美著名高校和公司參與了競標(包括已經中標LogiQ項目的IBM Watson實驗室,D-wave的大型用戶GoogleNASA等),從方案完整性來看,著名的MIT林肯實驗室最為詳細。詳見關于《IARPA量子增強優化項目的初步分析》,CPS-DSC/IICS內部研究報告。整理中

[23] IARPALogiQ項目組織者David Moehring的發言

[24] 其他部門也有同樣的分析結論。參見美國能源部20152月的《ASCAC量子計算科學報告》CPS-DSC/IICS編譯,整理中

[25] 破解RSAShor算法目前僅僅是進行了簡單的概念演示,例如證明量子設備可以把15分解為3乘以5

[26] D-wave上運行的量子退火算法最著名的成果就是Google公司用其來開發的海量圖像智能檢索技術。該核心技術目前正在Google公司其他產品線上得以快速推廣。見Google公司剛剛推出的產品發布會。

[27] IBM Watson實驗室在同一份反饋意見當中,針對目前量子計算研發目標不明也提出了類似建議。見腳注16.

[29] 注意這里的通信是指量子計算機與現有的電子計算機網絡之間的通信,包括新的協議等等,與“量子通信”無關。

[30] 項目指南中明確提出的研發目標是:面向未來量子與經典計算設備交互(混雜)的情況,研究通信與計算的安全基礎是什么?交互的協議是什么?復雜度如何?要求進行 “小規模”演示來驗證其理論

[31] 參見DOE關于量子科學計算的技術報告。CPS-DSC/IICS編譯。 整理中

[32] 同月,IARPA正式宣布IBMWatson實驗室中標LogiQ項目

[33] 事實上,抗量子密碼標準及所涉及的產品研發/產業化時間還必須要快于量子計算機的研發時間。

[34]更何況目前美方的戰略導彈防御技術本身就源自當初公布的星球大戰研發計劃。

[35] 無論從量子算法基礎理論研究、技術研發(未來新型計算機體系架構、軟硬件)、工藝水平和能力等,均是美國方面的強項,我方的軟肋。

[36] 這與第二次世界大戰期間的“曼哈頓工程”有很大區別。公開其戰略研發計劃本身可以看做美國對其自身科技實力的自信,甚至是一種“軟威懾”。

[37] 如同量子計算機研發計劃是一個整體計劃,并在前期已經實施了諸多子計劃一樣,“阿波羅計劃”的前期基礎是美國載人航天的“水星計劃”。

[38] “對世界范圍內的美國外交政策和國防能力進行綜合性的闡述;對保護和提升國家利益、達成戰略目標而必須運用的國力要素做出近期和中長期的規劃;對美國實施其國家安全戰略的能力進行評估。”美國《國防重組法案》

[39] 按照NIST的一個公開說法,量子計算機是“一五一十”的模式:即十五年左右時間,一座核電站供能,十億美元研發投入。

[40] 該公司也有引以為傲的量子信息發展史參見腳注26IBM公司的應答文件。

[41] 該型計算機還與隸屬美國陸軍情報局(NSA的前身)的密碼破譯計算機Altas一起打過擂臺,最后IBM 701稍勝一籌。

[42] 參見IBM公司發展史

 

[責任編輯:諾方知遠]

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