詹劍鋒

1 中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所 北京 100190

2 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049

1 發(fā)展科技產(chǎn)業(yè)，自主可控和開放合作矛盾嗎？

全球分工與合作是和平時(shí)期發(fā)展科技產(chǎn)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)模式。各個(gè)國家的產(chǎn)業(yè)，一方面參與全球分工與合作，節(jié)省研究與開發(fā)成本，提升競爭力；另一方面，相互開展競爭，力爭成為產(chǎn)業(yè)鏈的上游，乃至規(guī)則的制定者，鞏固和加強(qiáng)本國民用產(chǎn)業(yè)和國防工業(yè)的生存能力和競爭優(yōu)勢。

一個(gè)科技產(chǎn)業(yè)通常會(huì)形成兩到多個(gè)全球相互競爭的體系，例如大型民用航空工業(yè)包括波音和空客兩個(gè)體系。不幸的是，由于知識(shí)產(chǎn)權(quán)壁壘森嚴(yán)和垂直分工的體系①信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)有著垂直分工的體系，從底到上包括芯片、操作系統(tǒng)、編程系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、行業(yè)應(yīng)用等基礎(chǔ)部件。，信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)沒有發(fā)展出相互競爭的體系。目前，美國主導(dǎo)的體系是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)規(guī)則的絕對制定者。即使在和平時(shí)期，某些領(lǐng)先國家的決策者一旦認(rèn)為產(chǎn)業(yè)或者整個(gè)經(jīng)濟(jì)遇到事實(shí)或者潛在威脅，自由市場和自由貿(mào)易的原則就可能被放棄，貿(mào)易戰(zhàn)一觸即發(fā)，從而導(dǎo)致內(nèi)部協(xié)作分工瓦解，弱勢的一方可能被逐出體系，付出慘痛的代價(jià)。信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)缺少競爭體系的局面加劇了這種風(fēng)險(xiǎn)。

為了應(yīng)對這種風(fēng)險(xiǎn)，我國乃至德國這樣的發(fā)達(dá)國家早已意識(shí)到發(fā)展自主可控的信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要性。例如，我國互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)開展了多年的“去 IOE（IBM、Oracle、EMC）”運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)是以成本效益更高的 Intel x86 平臺(tái)和開源軟件取代以 IBM 小型機(jī)、Oracle 數(shù)據(jù)庫和 EMC 高端存儲(chǔ)所組成的 IT 技術(shù)架構(gòu)。中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所（簡稱“中科院計(jì)算所”）胡偉武研究員領(lǐng)導(dǎo)的龍芯團(tuán)隊(duì)付出了艱苦卓絕的努力，目標(biāo)是用 MIPS 處理器架構(gòu)（通過購買商業(yè)許可證獲得）和 Linux 操作系統(tǒng)（開源和自由軟件）取代 Windows-Intel 架構(gòu)。德國柏林理工大學(xué)教授 Volker Markl 研發(fā)大數(shù)據(jù)流處理器系統(tǒng) Flink，旨在和美國加州大學(xué)伯克利分校研究的 Spark 展開競爭。

可以清楚地看到，這些不同程度的自主可控系統(tǒng)也是部分建立在全球分工與合作基礎(chǔ)之上。以“去IOE”運(yùn)動(dòng)為例，在軟件方面借助了全球協(xié)作分工的開源軟件運(yùn)動(dòng)，而 x86 是 Intel 的商業(yè)產(chǎn)品。顯而易見，應(yīng)對某些領(lǐng)先國家可能發(fā)起的科技戰(zhàn)和貿(mào)易戰(zhàn)，“去 IOE”運(yùn)動(dòng)無法做到真正的自主可控。另外一方面，美國主導(dǎo)了信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的“自主可控”，同時(shí)充分利用全球分工與協(xié)作來節(jié)省研究與開發(fā)成本。由此可見發(fā)展科技產(chǎn)業(yè)，自主可控和開放合作并不矛盾。

對于科技產(chǎn)業(yè)，尤其是在知識(shí)產(chǎn)權(quán)壁壘森嚴(yán)和分工協(xié)作緊密的信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)，只有從技術(shù)的源頭或者主干開始創(chuàng)新，才能做到自主可控；相反，僅僅是全盤復(fù)制，或在枝干或旁枝末節(jié)處進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，不可能做到真正的自主可控。

2 從技術(shù)源頭和主干開始的基礎(chǔ)性技術(shù)創(chuàng)新才能真正實(shí)現(xiàn)自主可控

信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)有著垂直分工的體系， 從底到上包括芯片、操作系統(tǒng)、編程系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、行業(yè)應(yīng)用等基礎(chǔ)部件。經(jīng)過幾十年發(fā)展，每一個(gè)基礎(chǔ)部件從最初的技術(shù)源頭或者主干開始，都形成了錯(cuò)綜復(fù)雜的競爭與合作的分工體系。只有從技術(shù)源頭和主干開始的基礎(chǔ)性技術(shù)創(chuàng)新才能真正實(shí)現(xiàn)自主可控，并充分享有國際分工與合作的好處。芯片和操作系統(tǒng)是信息技術(shù)領(lǐng)域 2 個(gè)最基礎(chǔ)和最核心的部件，以下通過分析移動(dòng)芯片 ARM 和移動(dòng)操作系統(tǒng)安卓（Android）來闡述這一觀點(diǎn)。

2.1 ARM芯片

手機(jī)芯片在架構(gòu)設(shè)計(jì)、集成電路設(shè)計(jì)、制造、封裝和銷售方面有著細(xì)致的垂直分工體系。來自英國的 ARM 公司是移動(dòng)芯片體系的主角，ARM 將設(shè)計(jì)的芯片授權(quán)給世界絕大部分移動(dòng)芯片產(chǎn)商。根據(jù) 2018 年市場份額統(tǒng)計(jì)，美國的高通（Qualcomm）和蘋果、中國臺(tái)灣的聯(lián)發(fā)科（MediaTek）、韓國的三星以及中國的華為海思是智能手機(jī)芯片市場的主要玩家，但 ARM 授權(quán)的技術(shù)是中國臺(tái)灣的聯(lián)發(fā)科（MediaTek）設(shè)計(jì)的芯片、三星 Exynos、高通“驍龍”、蘋果Apple A11、華為“麒麟”等芯片的基礎(chǔ)。以聯(lián)發(fā)科為例，ARM 公司負(fù)責(zé)架構(gòu)和指令集設(shè)計(jì)，相當(dāng)于書的章節(jié)和核心思想；聯(lián)發(fā)科購買 ARM 的授權(quán)進(jìn)行芯片 IC 設(shè)計(jì)，相當(dāng)于書本內(nèi)容的完善；臺(tái)積電進(jìn)行生產(chǎn)制造和封裝，相當(dāng)于書的印刷。

在 ARM 發(fā)展史上，采用精簡指令集 RISC 架構(gòu)這一決定起著至關(guān)重要的作用。RISC 架構(gòu)是20世紀(jì)80年代美國的斯坦福大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校的實(shí)驗(yàn)性處理器架構(gòu)，2017 年圖靈獎(jiǎng)獲得者 John L. Hennessy（負(fù)責(zé) MIPS 項(xiàng)目）和 David Patterson（負(fù)責(zé) RISC 項(xiàng)目） 是主要的貢獻(xiàn)者。采用精簡指令集 RISC 的處理器通常比采用復(fù)雜指令集 CISC 架構(gòu)的處理器更為省電、成本更低。ARM 公司在 RISC 處理器的主干上發(fā)展了低功耗的移動(dòng)芯片架構(gòu)。在產(chǎn)業(yè)鏈上，ARM 公司聚焦芯片架構(gòu)的設(shè)計(jì)，而將其他下游產(chǎn)業(yè)交付給國際分工和協(xié)作。需要指出的是，RISC 的項(xiàng)目的另一個(gè)分支 SPARC 芯片也曾在服務(wù)器芯片市場獲得成功，而斯坦福的 MIPS 項(xiàng)目是國產(chǎn)龍芯 CPU 的技術(shù)源頭。

在 2019 年爆發(fā)的中美經(jīng)貿(mào)摩擦中，美國對華為進(jìn)行出口管控。根據(jù) BBC 報(bào)道， ARM 已經(jīng)要求員工必須中止與華為合作。ARM 聲稱，它的相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)當(dāng)中包含了“美國原產(chǎn)技術(shù)”，可能是指 MIPS 等相關(guān)技術(shù)。因此，該公司認(rèn)為將受到美國政府貿(mào)易禁令的影響。據(jù)中美兩國執(zhí)業(yè)律師金依依分析②詹劍鋒, 金依依. 貿(mào)易戰(zhàn)出口管控對全球科技產(chǎn)業(yè)的影響. 公開報(bào)告, 未出版.，ARM 認(rèn)為其提供給華為的技術(shù)中美國原產(chǎn)技術(shù)的價(jià)值超過該技術(shù)總價(jià)值的 25%，因而暫停與華為的合作。這也充分地說明 ARM 在主干上進(jìn)行創(chuàng)新，能實(shí)現(xiàn)一定程度的自主可控（實(shí)際上仍然受到出口管控的約束），并享有開放分工與合作的好處。而在產(chǎn)業(yè)鏈下游創(chuàng)新，則更難以實(shí)現(xiàn)真正的自主可控，只有在和平時(shí)期的非管控狀態(tài)下才能享有國際分工與合作的好處。華為是業(yè)界公認(rèn)的 5G 技術(shù)領(lǐng)袖之一，這也意味著美國的公司不能獲得華為 5G 產(chǎn)品和技術(shù)的許可。

2.2 從 Unix 到 Linux 再到安卓

Unix 操作系統(tǒng)由 Ken Thompson 和 Dennis Ritchie 負(fù)責(zé)研發(fā)，他們由此獲得 1983 年的圖靈獎(jiǎng)。據(jù)稱，開發(fā)Unix 的初衷是運(yùn)行一款計(jì)算機(jī)游戲—— Space Travel，使一臺(tái)計(jì)算機(jī)能同時(shí)為多個(gè)用戶提供交互性好的服務(wù)，即研究開發(fā)分時(shí)操作系統(tǒng)以取代笨拙和用戶體驗(yàn)差的批處理操作系統(tǒng)。1970 年，貝爾實(shí)驗(yàn)室開始向美國大學(xué)提供非商業(yè)的許可證，由此產(chǎn)生了大量的 Unix 變種，包括加州大學(xué)伯克利分校的 BSD、SUN 公司的 Solaris和 IBM 的 AIX 等。

由于美國貝爾實(shí)驗(yàn)室改變許可證，將 Unix 作為專有產(chǎn)品銷售，用戶在法律上不允許修改 Unix。美國人Richard Stallman 和芬蘭裔美國人 Linus Torvalds 先后發(fā)起了自由和開源軟件項(xiàng)目，開發(fā)出與 Unix 完全兼容的軟件系統(tǒng)——Linux。Linux 是 Unix 操作系統(tǒng)主干上的變種，在服務(wù)器操作系統(tǒng)市場占據(jù)主導(dǎo)地位。

Linux 操作系統(tǒng)包括 Linux 內(nèi)核和 Linux 系統(tǒng)工具/庫。1991 年 10 月 5 日，芬蘭裔美國人 Linus Torvalds 首次發(fā)布 Linux 內(nèi)核。Linus Torvalds 同時(shí)發(fā)起了 Linux 基金會(huì)（Linux Foundation）維護(hù)該項(xiàng)目。1983 年，Richard Stallman 發(fā)起 GNU 計(jì)劃，負(fù)責(zé)提供 Linux 系統(tǒng)工具/庫。Linux 系統(tǒng)工具/庫由自由軟件基金會(huì)（Free Software Foundation，F(xiàn)SF）維護(hù)。Linux 基金會(huì)和自由軟件基金會(huì)均注冊在美國，根據(jù)美國聯(lián)邦法律，屬于501(c) 非營利性組織。

Linux 是最成功的開源軟件。Linux GNU 采用通用公共許可證（General Public License，GPL），最新的許可證是 GPL 3.0。GPL 保證任何個(gè)人和機(jī)構(gòu)可以自由地使用、修改和再發(fā)布軟件。GPL 強(qiáng)制要求包含 GPL 源代碼的項(xiàng)目必須開源。Linux 項(xiàng)目集中了全球程序員的智慧。根據(jù)中科院計(jì)算所徐志偉③經(jīng)微信交流，徐志偉研究員同意作者公開引用他的分析.對 2016 年和2017 年 Linux Kernel Development Report 的分析，Linux 內(nèi)核 2 000 多萬行代碼由全球開發(fā)者社區(qū)開發(fā)維護(hù)，中國（未包含港澳臺(tái)地區(qū)數(shù)據(jù)，下同）貢獻(xiàn)者和貢獻(xiàn)比例均不到 1%，中國華為公司貢獻(xiàn)了 0.3%，但社區(qū)核心志愿者“Greg”一人貢獻(xiàn)量超過華為，接近中國。

安卓是在 Linux 內(nèi)核和其他開源軟件基礎(chǔ)上開發(fā)的。在移動(dòng)操作系統(tǒng)市場，安卓占據(jù)主導(dǎo)地位，蘋果的 iOS 遠(yuǎn)遠(yuǎn)地落在第二位。2003 年，初創(chuàng)公司 Android Inc 在美國加州創(chuàng)建了安卓。2005 年 Google 收購Android 公司。2007 年，Google 聯(lián)合 84 家軟硬件公司和電信運(yùn)營商成立聯(lián)盟，負(fù)責(zé)改進(jìn)安卓。隨后，聯(lián)盟發(fā)布了安卓的源代碼，安卓的核心源代碼稱為 Android Open Source Project（AOSP）。開放安卓源代碼的計(jì)劃加速了安卓的普及，安卓隨之逐漸拓展到平板電腦及其他領(lǐng)域。

Google 將安卓許可證修改為 Apache 免費(fèi)開放源代碼許可證 （Apache License）。 該許可證與 GPL 有著顯著不同，不再強(qiáng)制要求開源在安卓基礎(chǔ)上開發(fā)的軟件（開源軟件的衍生品）。Apache 軟件基金會(huì)和自由軟件基金會(huì)達(dá)成了協(xié)議，承認(rèn) Apache 2.0 許可證是自由軟件許可證。這意味著分別采用 GPL 3.0 和 Apache 2.0 許可證的開源軟件可以一起使用。這些協(xié)議的簽署掃清了法律上的障礙。

Google 借助開源的力量改進(jìn)了安卓，然后在安卓的基礎(chǔ)上開發(fā)了專有產(chǎn)品，包括 Google Chrome 瀏覽器、搜索引擎、電子郵件 Gmail、應(yīng)用商店和地圖導(dǎo)航。這些 Google 的專有產(chǎn)品通常預(yù)裝在手機(jī)上。

同樣，Google 公司遵從美國出口管控條例，限制華為使用安卓系統(tǒng)。中國所有智能手機(jī)幾乎都基于安卓系統(tǒng)。由于安卓被認(rèn)為是開源軟件，Google 迅速采取的行動(dòng)引起了中國科技界的震驚。

據(jù)西方媒體報(bào)道，Google 對華為的限制具體如下：華為僅僅可以使用安卓開源版本，不能訪問 Google 的專有應(yīng)用和服務(wù)。Google 指出已經(jīng)擁有華為智能手機(jī)的用戶不受影響，服務(wù)可以繼續(xù)。市場分析師又進(jìn)一步指出用戶可以自行在安卓平臺(tái)上下載 Google 專有應(yīng)用和服務(wù)。這些舉動(dòng)和措施可能會(huì)影響華為手機(jī)在海外市場的增長。

3 智能計(jì)算機(jī)是中國建立自主可控和開放產(chǎn)業(yè)的機(jī)會(huì)嗎？

本章首先分析智能計(jì)算機(jī)的發(fā)展淵源，然后討論智能計(jì)算機(jī)復(fù)興的原因，最后分析在我國發(fā)展自主可控和開放的智能計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的可能性。

3.1 智能計(jì)算機(jī)的發(fā)展淵源

馮 · 諾依曼體系結(jié)構(gòu)（Von Neumann architecture）是現(xiàn)代數(shù)字計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，而對智能計(jì)算機(jī)的探索甚至早于馮 · 諾依曼對數(shù)字計(jì)算機(jī)的探索。計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)袖們在馮 · 諾依曼體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展出了一個(gè)復(fù)雜而又具有活力的信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)體系，深遠(yuǎn)地影響了人類社會(huì)生活。而對智能計(jì)算機(jī)的探索則更多地限于理論層次。

馮 · 諾依曼體系結(jié)構(gòu)的本質(zhì)是以計(jì)算單元為中心，同時(shí)采用存儲(chǔ)程序原理。也就是說存儲(chǔ)設(shè)備與中央處理器分開，程序指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合在一起。在馮 · 諾依曼體系結(jié)構(gòu)提出前，計(jì)算機(jī)需要固定程序，改變程序就需要調(diào)整和變化計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)。馮 · 諾依曼體系結(jié)構(gòu)破除了這種結(jié)構(gòu)限制，憑借它的簡潔和靈活打敗了所有的競爭結(jié)構(gòu)。對智能計(jì)算機(jī)的探索有時(shí)候游離于馮 · 諾依曼體系結(jié)構(gòu)，有時(shí)又回歸到這個(gè)結(jié)構(gòu)。

1943 年，神經(jīng)生理學(xué)家 Warren McCulloch 和數(shù)學(xué)家 Walter Pitts[1]開始思考大腦中的神經(jīng)元如何工作，第一次使用電路對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（neural network）建模。他們采用的是模擬計(jì)算（analog computation），神經(jīng)元的輸出結(jié)構(gòu)不是 0 或者 1，原理上和現(xiàn)代的數(shù)字計(jì)算機(jī)顯著不同。

當(dāng)代開展的一些神經(jīng)形態(tài)計(jì)算（neuromorphic computing）正是起源于 Warren McCulloch 和 Walter Pitts 的工作。盡管不少神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的項(xiàng)目仍然基于馮 · 諾依曼體系結(jié)構(gòu)，但神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的最終目標(biāo)確是要發(fā)展完全不同于馮 · 諾依曼體系結(jié)構(gòu)的硬件類型?？紤]到現(xiàn)有的信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)都建立在馮 · 諾依曼體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上，已經(jīng)有大半個(gè)世紀(jì)的智力和基礎(chǔ)設(shè)施投資，對神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的探索短時(shí)間內(nèi)恐怕無法獲得回報(bào)。從基礎(chǔ)研究的角度，神經(jīng)形態(tài)計(jì)算非常有價(jià)值，但顯然不適合以大工程的方式開展研究工作。

20 世紀(jì) 80 年代日本開展的第五代計(jì)算機(jī)計(jì)劃（Fifth Generation Computer Systems, FGCS）確實(shí)是在馮 · 諾依曼體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上開展的一次發(fā)展智能計(jì)算機(jī)的嘗試。第五代計(jì)算機(jī)有 2 個(gè)發(fā)展動(dòng)力：① 并行計(jì)算，即在計(jì)算機(jī)內(nèi)部引入多處理器提高性能，這后來獲得了產(chǎn)業(yè)上的成功；② 大規(guī)模知識(shí)處理（Knowledge Information Processing systems），采用邏輯編程（logic programming）來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。這一努力促進(jìn)了專家系統(tǒng)這一概念的普及。專家系統(tǒng)包括知識(shí)庫和推理引擎——知識(shí)表達(dá)為 if-then 規(guī)則的集合，推理引擎則使用邏輯推理規(guī)則。然而，知識(shí)規(guī)則的表達(dá)和獲取，需要計(jì)算機(jī)專家與領(lǐng)域?qū)＜乙黄鸸ぷ?。通常這些規(guī)則是剛性的，難以適應(yīng)現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)環(huán)境。與此同時(shí)，領(lǐng)域知識(shí)獲取困難，缺少靈活性，成本又高，這些原因直接導(dǎo)致了日本第五代機(jī)計(jì)劃的失敗。

3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器：智能計(jì)算機(jī)的復(fù)興

當(dāng)代智能計(jì)算機(jī)本質(zhì)上是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器和通用計(jì)算部件建立起來的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它的復(fù)興取決于 3 個(gè)條件：① 深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論體系的完善；② 計(jì)算能力的快速增長和專業(yè)領(lǐng)域數(shù)據(jù)的積累；③ 通用計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展遇到技術(shù)障礙。

現(xiàn)代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是統(tǒng)計(jì)學(xué)。在統(tǒng)計(jì)學(xué)的學(xué)習(xí)方法（Learning Method）基礎(chǔ)上，現(xiàn)代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展為成熟的非線性建模工具。通過統(tǒng)計(jì)學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)方法，可以獲得大量可以用函數(shù)來表達(dá)的局部結(jié)構(gòu)空間④這是有關(guān)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的常規(guī)解釋,作者沒有找到最早的引用出處。，這比依賴領(lǐng)域?qū)＜揖帉?if-then 規(guī)則進(jìn)行邏輯推理更容易，成本更低。

計(jì)算力的增長使得復(fù)雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算成為可能。實(shí)際上，在 20 世紀(jì) 90 年代已經(jīng)出現(xiàn)了大量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器的工作[2]。然而，受制于當(dāng)時(shí)有限的計(jì)算能力和匱乏的專業(yè)領(lǐng)域數(shù)據(jù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的成功應(yīng)用乏善可陳，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器缺少足夠的市場需求，未能獲得發(fā)展。

通用計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展遇到的技術(shù)障礙也為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器的發(fā)展創(chuàng)造了條件。2017 年，圖靈獎(jiǎng)獲得者 John L. Hennessy 和 David Patterson 指出通用計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展遇到巨大技術(shù)障礙，如芯片的性能增長比摩爾定律預(yù)測的緩慢；串行程序的并行遇到結(jié)構(gòu)化的限制；芯片散熱受到物理極限因素的制約。在這些條件的綜合約束下，針對特定領(lǐng)域應(yīng)用開展軟件和硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)成為國際學(xué)術(shù)界的共識(shí)。這種學(xué)術(shù)趨勢可謂返璞歸真，馮 · 諾伊曼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)之前的數(shù)字計(jì)算機(jī)就是為每個(gè)程序設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)。當(dāng)然從直覺上來說，應(yīng)用越單一，系統(tǒng)效率越高。然而新的趨勢并不是放棄馮 · 諾伊曼結(jié)構(gòu)，而是采用一種異構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)來提高效率：保留基于馮 · 諾伊曼結(jié)構(gòu)的通用計(jì)算部件，再增加針對特定領(lǐng)域應(yīng)用開發(fā)的加速器，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器。

深度學(xué)習(xí)在圖像識(shí)別、語音識(shí)別等眾多領(lǐng)域取得成功，甚至在單一問題上超過人的平均能力。與此同時(shí)，基于深度學(xué)習(xí)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。如藥物篩選、疾病診斷等[3]。有理由相信，在深度學(xué)習(xí)加速器（所謂智能芯片）、智能系統(tǒng)、算法和行業(yè)應(yīng)用基礎(chǔ)上有希望發(fā)展出一個(gè)大規(guī)模的智能計(jì)算產(chǎn)業(yè)。

3.3 智能計(jì)算機(jī)是我國建立自主可控和開放產(chǎn)業(yè)的機(jī)會(huì)

盡管智能芯片通常以加速器（PCI-E卡）的方式依附于通用計(jì)算機(jī)部件，獨(dú)立性受限，但是以智能芯片、系統(tǒng)、算法和行業(yè)應(yīng)用為代表的智能計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)仍是一個(gè)難得的產(chǎn)業(yè)機(jī)會(huì)，至少為我們提供了在特定應(yīng)用領(lǐng)域建立自主可控和開放產(chǎn)業(yè)的機(jī)會(huì)。

（1）通用計(jì)算機(jī)發(fā)展遇到了巨大的技術(shù)障礙，在特定領(lǐng)域做軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)是國際學(xué)術(shù)界的共識(shí)。人工智能和大數(shù)據(jù)有融合的趨勢，無論在端（IoT）、數(shù)據(jù)中心、高性能計(jì)算機(jī)，還是在最新涌現(xiàn)的邊緣計(jì)算（edge computing），應(yīng)用的深度和廣度都在增加，而我國在智能計(jì)算領(lǐng)域有一批和國際同行齊頭并進(jìn)的企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)。例如，中科院計(jì)算所的“寒武紀(jì)”[4]是大規(guī)模深度學(xué)習(xí)加速器的國際先行者；本文作者擔(dān)任執(zhí)行委員會(huì)主席的國際開放基準(zhǔn)測試委員會(huì)（BenchCouncil, http://www.benchcouncil.org）聯(lián)合國內(nèi)外領(lǐng)先機(jī)構(gòu)研究與開發(fā)了面向 IoT（端）、Edge（邊緣）、數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算機(jī)的人工智能和大數(shù)據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)BigDataBench[5]，將為產(chǎn)業(yè)的良性競爭提供評價(jià)依據(jù)。Bench Council 在 2019 年發(fā)起了人工智能實(shí)驗(yàn)床“泰”計(jì)劃，為人工智能等新技術(shù)的評測、模擬、驗(yàn)證、教育、培訓(xùn)和推廣提供統(tǒng)一的平臺(tái)，有望成為智能計(jì)算產(chǎn)業(yè)的加速器，受到國際高性能計(jì)算權(quán)威媒體 HPC Wire⑤https://www.hpcwire.com/2019/06/05/china-launches-ai-testbed-in-shenzhen.、新華社⑥http://www.gd.xinhuanet.com/newscenter/2019-06/03/c_1124578327.htm.等媒體廣泛關(guān)注。我國不少企業(yè)也積累了海量的應(yīng)用領(lǐng)域數(shù)據(jù)和針對特定領(lǐng)域應(yīng)用優(yōu)化的深度學(xué)習(xí)算法。

（2）我國在超級(jí)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域有著深厚的積累，智能計(jì)算又為這個(gè)領(lǐng)域夯實(shí)了基礎(chǔ)。例如，在高能物理、天氣預(yù)報(bào)、宇宙學(xué)，基于深度學(xué)習(xí)的算法提供了新的計(jì)算途徑[6]。智能超級(jí)計(jì)算機(jī)將成為新的增長點(diǎn)。

（3）智能計(jì)算機(jī)整體上仍然依賴于通用計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，我們不需要重起爐灶，可以借助整體計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；而智能計(jì)算機(jī)作為一個(gè)重要的主干分支，可以相對獨(dú)立發(fā)展，獲得完整的知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系。

（4）隨著對智能計(jì)算這個(gè)領(lǐng)域有著更深地理解，我們會(huì)發(fā)展出更通用的計(jì)算抽象，從而研發(fā)出能適用更多應(yīng)用場景的相對通用的計(jì)算系統(tǒng)。例如，我們最近的工作將大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)算法（深度學(xué)習(xí)是其中一個(gè)分支）統(tǒng)一為 8 類基本計(jì)算單元[7]，包括矩陣計(jì)算、圖計(jì)算、邏輯計(jì)算、變換計(jì)算、采樣計(jì)算、集合計(jì)算、排序計(jì)算、統(tǒng)計(jì)計(jì)算，而每一個(gè)大數(shù)據(jù)分析或者機(jī)器學(xué)習(xí)負(fù)載都可以認(rèn)為是一個(gè)或者多個(gè)計(jì)算單元的組合。在這個(gè)工作基礎(chǔ)上研究的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有望適應(yīng)更多的大數(shù)據(jù)和人工智能應(yīng)用場景。這樣的研究努力旨在避免為每一類應(yīng)用單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)加速器。不難想象，如果在一個(gè)通用計(jì)算部件上增加大量不同類型的加速器，必然給資源共享設(shè)置技術(shù)障礙。

綜合以上原因，有理由相信我國有機(jī)會(huì)在此基礎(chǔ)上發(fā)展一個(gè)相對自主可控并兼顧開放的產(chǎn)業(yè)。當(dāng)然，我國在產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)上仍然存在顯著不足。例如，在智能系統(tǒng)上，我們依賴于 TensorFlow 等開源系統(tǒng)；而在算法上，我們依賴于大量的開源項(xiàng)目?？紤]到 Google 等公司申請了大量的專利，這些可能成為先進(jìn)國家出口管控的依據(jù)。據(jù)中美兩國執(zhí)業(yè)律師金依依的分析⑦詹劍鋒, 金依依. 貿(mào)易戰(zhàn)出口管控對全球科技產(chǎn)業(yè)的影響. 公開報(bào)告, 未出版.，這些國家已經(jīng)發(fā)布了征求意見的管控草案。另外，智能芯片以 PCI-E 卡的方式存在，依賴于現(xiàn)有通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。一旦通用芯片和系統(tǒng)被管控，仍然會(huì)出現(xiàn)“卡脖子”現(xiàn)象。然而冰凍三尺非一日之寒，我國如果無法建立有競爭力的應(yīng)用科學(xué)技術(shù)體系，只能全盤復(fù)制，或在枝干或旁枝末節(jié)處改進(jìn)已發(fā)展好的成熟技術(shù)。

基于這些理由，Bench Council 聯(lián)合相關(guān)方于 2019年 6 月將共同主辦 BenchCouncil 2019 國際智能計(jì)算機(jī)大會(huì)⑧http://www.benchcouncil.org/bc19/cn/cn.html.，以研討、展覽和路演智能芯片、系統(tǒng)、算法、腦科學(xué)、智慧醫(yī)療、金融、社會(huì)治理、教育、產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為目標(biāo)；并同期舉辦 Bench Council 國際人工智能系統(tǒng)大賽，在 Bench Council 人工智能實(shí)驗(yàn)床上舉辦“寒武紀(jì)”、RISC-V、X86 系統(tǒng)競賽以及算法競賽，培養(yǎng)人工智能后備人才。

4 如何建立有競爭力的應(yīng)用科學(xué)技術(shù)體系？

對于物理和數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科來說，開展重大理論研究摘取科學(xué)皇冠是毋庸置疑的目標(biāo)。以計(jì)算機(jī)學(xué)科為代表的應(yīng)用科學(xué)，如何建立有競爭力的應(yīng)用科學(xué)技術(shù)體系？作者認(rèn)為，殊途同歸，最終的目標(biāo)都是建立有競爭力的教育和科學(xué)技術(shù)研究體系。 這需要我們改變應(yīng)用科學(xué)評價(jià)體系，改變頭重腳輕的學(xué)科布局，重視知識(shí)產(chǎn)權(quán)、建立公平競爭環(huán)境，并充分利用國際智力進(jìn)行分工與合作。

4.1 改變應(yīng)用科學(xué)評價(jià)體系

美國計(jì)算機(jī)學(xué)界建制派在學(xué)科評價(jià)方面的觀點(diǎn)認(rèn)為，計(jì)算機(jī)學(xué)科評價(jià)分 3 個(gè)層次。在第一個(gè)層次，對助理教授的評價(jià)以論文為主，強(qiáng)調(diào)一定數(shù)量的高質(zhì)量論文，這些論文通常發(fā)表在本領(lǐng)域競爭最激烈的會(huì)議上。助理教授通常難以獲得較多資源，不可能建立較大規(guī)模的團(tuán)隊(duì)，對他們的評價(jià)聚焦于新概念和原型系統(tǒng)是合理的，這些工作通常也需要大浪淘沙。而在第二個(gè)層次，則以對整個(gè)社區(qū)交付的獨(dú)一無二的系統(tǒng)和工具作為主要的評價(jià)指標(biāo)。例如，俄亥俄大學(xué)計(jì)算機(jī)系的 D. K. Panda 教授，近 20 年都關(guān)注于如何實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算機(jī)編程工具 MPI。 MPI 最新的功能通常由他的團(tuán)隊(duì)首先完成，Top 500 超級(jí)計(jì)算機(jī)排名上，不少機(jī)器直接使用他的工具，全球幾千個(gè)單位下載他們的系統(tǒng)。Rice 大學(xué)的 John Mellor-Crummey 教授 （ACM Fellow）近十幾年來一直孜孜不倦的研發(fā)高性能計(jì)算的性能分析工具，被美國數(shù)量眾多的國家實(shí)驗(yàn)室用于優(yōu)化大規(guī)模的并行應(yīng)用性能。這兩位教授都是卓越的學(xué)術(shù)界代表，直接向國際社區(qū)交付具有獨(dú)一無二價(jià)值的工具，所有的研究都圍繞這些工作展開，而團(tuán)隊(duì) 1 年通常需要數(shù)百萬美元經(jīng)費(fèi)的支持。在第三個(gè)層次，則更進(jìn)一大步，關(guān)注對整個(gè)人類社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施的核心貢獻(xiàn)。像前文提到的 Unix、Linux、安卓、MIPS、RISC、ARM 正是這樣的工作。

而我國目前應(yīng)用科學(xué)的評價(jià)基本還停留在第一個(gè)層次，以 SCI 論文或者分檔的會(huì)議論文數(shù)量及引用作為主要的評價(jià)工具。有抱負(fù)的研究人員不敢輕易放棄論文這個(gè)“緊箍咒”。例如，在作者參加的一個(gè)會(huì)議上，一個(gè)著名高校的助理教授分享了他在系統(tǒng)領(lǐng)域研究工作，大家覺得工作非常有價(jià)值，問他為什么不把這些工作貢獻(xiàn)給 Linux 社區(qū)。他回答道，論文壓力太大了，沒有十幾篇中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)（CCF） A 類會(huì)議論文，不能評副教授。長此以往，我國學(xué)術(shù)界只能產(chǎn)出價(jià)值相對較低的論文和概念系統(tǒng)，難以向整個(gè)國際社區(qū)或者人類社會(huì)提供有獨(dú)特價(jià)值的系統(tǒng)、工具和核心基礎(chǔ)設(shè)施，難以為產(chǎn)業(yè)提供從源頭或者主干開始的基礎(chǔ)性技術(shù)創(chuàng)新。

4.2 改變頭重腳輕的應(yīng)用學(xué)科布局

頭重腳輕的學(xué)科布局體現(xiàn)在 2 個(gè)方面：

（1）在體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)等基礎(chǔ)學(xué)科方面投入的科研人員極少，大部分科研人員投入在應(yīng)用方向。以論文為主的評價(jià)體系導(dǎo)致人才評價(jià)、獎(jiǎng)勵(lì)和人才流往應(yīng)用方向傾斜。以論文發(fā)表數(shù)目為例，一些應(yīng)用方向年度發(fā)表的論文數(shù)目是體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)等基礎(chǔ)學(xué)科的近百倍。而在人才評價(jià)方面，以所謂頂級(jí)會(huì)議論文的數(shù)目或者論文的引用數(shù)作為主要指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)。長此以往，我們就無法在基礎(chǔ)學(xué)科方面積聚足夠多的科研人才，研究人員也無法像美國一流學(xué)者那樣做出更高、更遠(yuǎn)的追求，企圖實(shí)現(xiàn)自主可控顯然是奢侈的愿望。有人也許會(huì)認(rèn)為，在美國等先進(jìn)國家，投入在體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)等基礎(chǔ)學(xué)科方面的科研人員比應(yīng)用領(lǐng)域的也要少。本文認(rèn)為需要澄清 2 點(diǎn)：① 美國人已經(jīng)建立起了自主可控和開放的產(chǎn)業(yè)體系，不需要在基礎(chǔ)學(xué)科投入那么高比例的人才。② 美國投入人才的比例懸殊沒有我們這么大。例如，在美國從事體系結(jié)構(gòu)研究的高校數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于中國相應(yīng)的數(shù)目。

（2）在美國等研究生教育發(fā)達(dá)的國家，以導(dǎo)師實(shí)際科研需求為依據(jù)制定研究生招生計(jì)劃，而我國則以計(jì)劃經(jīng)濟(jì)的模式制定研究生招生計(jì)劃。這導(dǎo)致北大、清華和中科院等科研資源相對較多的機(jī)構(gòu)一個(gè)老師每年只能招收數(shù)量極少的學(xué)生，而在科研資源較少的一些大學(xué)，一個(gè)老師卻能招收較多數(shù)量的學(xué)生。這種不合理的研究生資源配置方式也對人才的培養(yǎng)和學(xué)科的布局造成了不利的影響。

4.3 重視知識(shí)產(chǎn)權(quán)，構(gòu)建公平競爭環(huán)境

從 Unix、Linux、安卓、MIPS、RISC 和 ARM 等基礎(chǔ)性技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)展過程可以看出，小團(tuán)隊(duì)的力量起著至關(guān)重要的作用。從一個(gè)概念的提出，到系統(tǒng)原型的實(shí)現(xiàn)，再成為整個(gè)產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵一環(huán)，知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)起著至關(guān)重要的作用。沒有知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，小企業(yè)和小團(tuán)隊(duì)的生存必將受大公司和大團(tuán)隊(duì)的威脅。下面以某智能芯片初創(chuàng)公司 A 和某大公司 B 的合作為例闡述知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)對構(gòu)建公平競爭環(huán)境的重要性。

B 和 A 合作，獲得 A 的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，然后在此基礎(chǔ)上發(fā)展自己的技術(shù)，B 的技術(shù)成熟后，再棄用 A 的技術(shù)。在一個(gè)充分保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的體系里，A 可以通過出售許可證的方式獲得商業(yè)成功（ARM 就是以這樣的方式獲得成功），成為一個(gè)更大規(guī)模公司。而事實(shí)上，由于知識(shí)產(chǎn)權(quán)缺少保護(hù)，在與 B 合作的領(lǐng)域，A 已經(jīng)成為弱者，沒有競爭力。A 只能開展新的產(chǎn)品線研發(fā)，走上更艱難的征程。

缺少知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，小的初創(chuàng)公司或者小的團(tuán)隊(duì)處處受到生存的威脅，更無力從事類似于 Linux、安卓、MIPS、RISC 或者 ARM 這樣的主干創(chuàng)新，因此打造自主可控的產(chǎn)業(yè)體系里缺少了一支活力四射的生力軍。

4.4 充分利用國際智力進(jìn)行分工與合作

在 Linux、安卓、MIPS、RISC 和 ARM 的發(fā)展過程中，充分利用國際智力開展分工與合作非常重要。例如，Linux 和安卓都是以開源軟件運(yùn)動(dòng)的方式開展國際分工與合作；MIPS 和 RISC 的發(fā)展體現(xiàn)了學(xué)術(shù)圈和產(chǎn)業(yè)界在國際范圍內(nèi)合作分工的重要性。而 ARM 的發(fā)展更是初創(chuàng)公司吸收國際學(xué)術(shù)界精英研究成果的典范，ARM 起步后，在國際上展開了廣泛的產(chǎn)業(yè)鏈分工與合作。

在一個(gè)封閉的小體系里打造自主可控的產(chǎn)業(yè)是不持久的，因?yàn)榉忾]的小體系一方面無法充分利用外部智力，另外一方面也難以分?jǐn)傃芯颗c開發(fā)的巨額成本。我國發(fā)展自主可控的技術(shù)體系，一定要充分利用國際智力。

5 結(jié)論

本文分析計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展史上的重要技術(shù)創(chuàng)新：移動(dòng)芯片 ARM 和移動(dòng)操作系統(tǒng)安卓（Android）以及正在發(fā)展的智能計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)，得出 2 點(diǎn)結(jié)論：① 只有從源頭開始的基礎(chǔ)性技術(shù)創(chuàng)新才可能真正做到自主可控，并享有國際分工與合作的好處；而智能計(jì)算機(jī)正是我國發(fā)展自主可控和開放產(chǎn)業(yè)的一個(gè)機(jī)會(huì)。② 建立有競爭力的應(yīng)用科學(xué)技術(shù)體系，必須改變現(xiàn)有評價(jià)體系。要從機(jī)械地統(tǒng)計(jì)論文數(shù)目和引用轉(zhuǎn)向重視從源頭或者主干開始的基礎(chǔ)性技術(shù)創(chuàng)新，改變頭重腳輕的學(xué)科布局，重視知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，充分開展國際分工與合作。

致謝 感謝中美兩國執(zhí)業(yè)律師金依依在理解美國法律體系上給予的幫助，感謝博士生戴紹鵬和郝天舒在參考文獻(xiàn)格式整理方面提供的幫助。