前言

上个世纪七十年代末、八十年代初，我国刚刚打开国门，“科学的春天”刚刚降临。而彼时作为世界第二大经济体的日本，其经济、工业和科技实力正处于历史之巅。仅以现代电子技术的基础性产业—半导体为例，在上个世纪八十年代的时候，全球半导体产业前十名当中日本企业占了六家，前三甲均为日本企业，国际市场份额超过52%以上，垄断能力堪比今日美国、中国台湾和韩国三方的芯片企业之和。甚至可以毫不夸张的讲，当年世人对各式各样的日本电器产品的偏爱远超今日人们对iPhone这款单一产品的追求。然而即便如此，日本政府，特别是产业界和科技界的决策者仍有一个巨大的“心理阴影”，还憋着一口气：那就是西方各界始终认为日本民族“只知模仿、缺乏原创”。从另一个视角，当年西方舆论界针对大和民族“搭便车”的这种指责对于今天我国民众而言是何等的熟悉！

一、日本“第五代计算机”研发计划

为了改变日本的国家形象，彻底扭转西方国家的偏见，同时也为本国的高科技产业谋划升级换代之路，变“跟跑”为“领跑”，1979年至1982年由日本“国际贸易与产业省”（MITI，现改为“经产省”）牵头，会同日本各大高科技公司及一流科研机构，对世界未来的战略科技发展趋势进行了为期三年的全面分析与论证。1982年4月，日本“国际贸易与产业省”正式对外宣布实施为期十年的“第五代计算机”研发计划（FGCS Project），总投资为1000亿日元，剑锋直指人工智能，力争在九十年代初与IBM等世界计算机龙头企业全面拉开代差，开创全球智能计算机的全新局面。顺便值得一提的是，我国最早的计算机智能化项目之一—“中医专家系统”也诞生于那个年代。

 

日本“新一代计算机技术研究所”（ICOT）所长渊一博（Kazuhiro Fuchi）

 

日本的“第五代计算机”是计划把信息采集、存储、处理、通信同人工智能结合在一起的智能计算机系统。它能进行数值计算或处理一般的信息，主要能面向知识处理，具有形式化推理、联想、学习和解释的能力，能够帮助人们进行判断、决策、开拓未知领域和获得新的知识。然而，“第五代计算机”的命运是悲壮的。1992年，因最终没能突破关键性的技术难题，无法实现自然语言人机对话、程序自动生成等目标，导致了该计划最后阶段研究的流产。

二、美国国防部“战略计算倡议”

可以想象，当年这个日本版的“AlphaGo”计划给美国各界带来了何等的震撼！在密切跟踪分析日本“第五代计算机”研发计划的基础上，美国国防高级研究计划局（DARPA）“不辱使命”于1983年针锋相对的启动了名为“战略计算倡议”（Strategic Computing Initiative，SCI）的研发计划，项目周期也是十年。美国著名的《新闻周刊》就此刊登了封面故事，非常准确的将其称之为“美日两国在该技术领域展开激烈竞争”。

经过十年的研发，在投入了大量人力物力之后，到了上个世纪九十年代初，无论是日本的FGCS还是美国的SCI均由于技术跨越过大而失败（否则也不会有今天IBM的“深蓝”、“Waston“，以及谷歌的“AlphaGo”了）。然而，与日本人铩羽而归，并将其研究成果（例如软件系统）免费与世人共享不同，美国总结了“战略计算倡议”的经验教训，并在此基础上启动了一个新的高新技术战略计划—“网络与信息技术研发计划”（Networking and Information Technology Research and Development Program, NITRD，即克林顿政府时期的“信息高速公路”计划）。NITRD计划从1992年开始实施至今，奠定了美国在IT技术及其诸多衍生领域的霸主地位（如网络空间安全等）。而高性能计算（HPC）则一直是NITRD计划的核心组成部分之一，只不过这个代表国家核心竞争力领域的明争暗斗已经从上个世纪八十年代的美日之争悄然转变成二十一世纪的中美之争。对此，美国将根据新的竞争对手，推出新的战略计划。

三、举全国之力的“国家战略计算倡议”

为了应对世界经济、政治、科技和军事等领域急剧变化的新格局，未雨绸缪下好先手棋，2015年7月29日美国白宫正式公布了“国家战略计算倡议”（National Strategic Computing Initiative，NSCI）。尽管该计划的名称与三十几年前美国国防部高级研究计划局的“战略计算倡议”（SCI）仅有一词之差，但“国家”二字已经展现出美国将举全国之力，在“后摩尔时代”继续牢牢把控未来计算的核心竞争力，并与其他竞争对手拉大代差的雄心壮志，堪比上个世纪四十年代的“曼哈顿计划”和六十年代的“阿波罗计划”。

纵观“国家战略计算倡议”的战略框架，人们可以发现该计划的一大特色，即联邦政府“既是主导，又是主体”的色彩非常浓厚。在美国传统的科技文化当中，政府一般仅仅是提出战略方向的倡议，产学研各界各自再根据科学技术发展规律和市场规律来决定是否响应，以及如何来配置资源。然而此次“国家战略计算倡议”开宗明义就指出联邦政府各要害部门将全程主导并参与未来新型计算领域，主要表现在以下领导机构、组织管理、政府用户等三个方面：

一是“国家战略计算倡议”项目的领导机构是国防部和能源部这两个世界上最大的计算用户；

二是由世界上最大的大数据集成单位国家情报总监办公室下属的情报高级研究计划局（IARPA）和主管全美标准化的美国国家标准技术研究所（NIST），做为“国家战略计算倡议”项目的组织执行机构；

三是“国家战略计算倡议”的直接用户则包括了联邦调查局、国土安全部、国家安全局、国家航空航天署、国家卫生研究院，以及国家海洋与大气署等。

需要说明的是，情报高级研究计划局是美国情报界学习国防部的国防高级研究计划局的成功经验而成立的类似技术创新管理部门，情报高级研究计划局的前身是国防部下属的颠覆性技术办公室（DTO）。至此，“国家战略计算倡议”从领导层、组织层和应用层形成了一个闭环。更加值得关注的是，整个“国家战略计算倡议”还有一个顶层协调领导机构，采用“双主席制”：由总统行政办公室主任及联邦预算管理办公室主任出任，负责协调联邦政府各部门在“国家战略计算倡议”推进过程中的各项工作，以及负责审核“国家战略计算倡议”的年度进展报告。计划管理力度如此之大，这一点在美国其他国家级科技战略倡议当中极为罕见。

四、技术路线的选择

“国家战略计算倡议”计划分为近期和中长期两个档次。近期计划是在2020年完成百亿亿次超级计算机的研发，从而“挤干互补型金属氧化物半导体技术（CMOS）这颗柠檬的最后一滴水”，其具体负责的部门是美国能源部，2017财年获得的研发经费为2.85亿美元。我国十三五期间也将同步开展类似的研发。如果美国方面在此之后不再继续沿着CMOS技术路线走下去，那么百亿亿次数量级的超级计算机的竞争恐怕也将是两国在CMOS这个舞台上的谢幕之战。

“国家战略计算倡议”计划中最引人关注的是其未来10-20年的中长期规划。对此，美国战略决策部门提出了两条并行的思路：第一类是“研发那些超越CMOS理论极限的技术”，第二类是“为未来大规模计算开启全新局面的技术”。至于哪些技术属于第一类，哪些技术属于第二类，仍未有清晰的界定。而目前可供选型的方案包括“立体芯片”、 “逼近计算”、“超导计算”、“神经元计算”，以及“量子计算”等。但如果人们仔细分析这些方案背后的基础，却能发现暗藏玄机。

超导计算最早源自于上个世纪五十年代，著名的国防企业诺斯诺普?格鲁曼公司，以及IBM等均在该领域进行了长期的研究。超导方案在上个世纪七十年代慢慢放缓了产业化的步伐，让位于CMOS技术。但“柳暗花明又一村”，由于拥有长期的技术储备，现在超导计算机技术已经逐步与超导型量子计算方案相融合。至于立体芯片技术，亦即将传统的平面芯片设计提升为三维立体芯片，从而在单位空间之下可以容纳更多的晶体管。该技术目前也在快速发展，但是否能够很好的解决散热问题，以及能耗是否急剧攀升等，均尚属未知。

逼近计算的倡导者认为并非所有的计算过程都需要无限的精度，在各个计算环节当中只需具有适当的精度，最后的结果也能令用户满意，逼近计算目前的代表作之一是Google公司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。Google TPU团队负责人 Norm Jouppi 在 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。

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。由于脑科学研究被誉为人类科学研究最后的“黑洞”，目前神经元计算也方兴未艾，但其科学机理仍在探索之中。作为前沿科学探索的热点未尝不可，但作为一个国家的战略选型方向，风险仍不可控。

尽管可供美国科技战略高层选择的方案也不少，但上述各类方案却有一个共同特点，即从本质上仍依赖CMOS技术（除了已经融入量子计算的“超导方案”之外）。由于单个晶体管的尺寸如果接近或小于5纳米，就会产生“飘忽不定”的量子隧穿效应，所以这些方案均会被量子物理基本定律“锁死”。因此，假以时日，其他竞争对手只要投入足够的人力物力资源，那么在基于CMOS的高端芯片技术领域，以及由此建立起来的超级计算技术等核心领域，潜在对手们均可以和美国人并驾齐驱甚至超越。这种可预期的局面对于美国决策者而言是绝不会袖手不管的。

“美国在高性能计算领域的领导力远未结束—它所具备的强大威力将有助于我们达到国家的首要目标，例如全球经济竞争力、科学发现，以及国家安全”。美国“国家战略计算倡议”计划清晰无误的表明了这一态度。因此，对于“国家战略计算倡议”带来的长远影响而言，就仅仅剩下了一种选择…。

五、长期战略布局聚焦于量子计算

量子计算机的概念最早由美国著名的物理学家费曼在1982年提出，由于彼时正值电子计算机小型化并开始进入千家万户（PC机开始盛行以及随之而来的互联网，这也是导致日本第五代计算机研发失败的经济大背景），因此量子计算机的研发并未受到政府部门或产业界的重视。一直到1994年由于美国贝尔实验室一位数学家彼得·秀尔（Peter Shor）在使用量子计算理论算法破译现代密码领域的开创性工作（参见本系列文章第二部分），才又引发人们对量子计算机的研发热情。但由于技术尚不成熟，因此量子计算机研发步伐一直较为缓慢，以至于2008年美国总统最高科学顾问机构——国家科技委（NSTC）在发表的专题报告《量子信息科学：联邦政府的视角》当中，提出的目标依然是需加强量子信息基础理论层面的研究。

 

    彼得·威廉·秀尔，美国知名计算机科学家，1959 年 8 月 14 日出生于美国纽约市，目前为美国麻省理工学院的应用数学系教授，其最伟大的事迹为提出在量子电脑应用上的“秀尔算法”，因其证明量子电脑能做出对数运算，而且速度远胜传统电脑，对于现在通行于银行及网络等处的RSA加密算法可以破解而构成威胁。

 

但在“国家战略计算倡议”公布之后，美国政产学界组织的各种针对“国家战略计算倡议”的研讨会当中，人们讨论得最多的中长期战略选型是“量子计算”。这其中的原因是多方面的。首先，与其他战略计算方案选型相比（例如神经元计算），量子计算的理论—量子力学已有近百年的基础，经过了实践的检验，是目前人类认识微观世界唯一有效的科学工具。此外，从理论人才队伍来讲，尽管量子力学发源于欧洲大陆，但其研究重镇二战之后转移到了美国，并涌现了以“量子计算机之父”费曼为代表的顶尖理论人才梯队（费曼本人也是量子力学三大等价理论工具—路径积分的发明者，其他两个工具分别是薛定谔方程和海森堡矩阵论）；其次，在量子力学基础上发展起来的各类应用技术，例如激光技术（美国贝尔实验室，1961）、扫描隧道电子显微镜（IBM，1981）、，乃至近年来的量子通信技术（即量子密钥分发技术，2003年由美国NIST研究团队率先实现，而我国目前在该领域处于世界一流水平），均展示了量子力学广阔的应前景；第三，西方科学界一致认为量子信息应用领域的终极“圣杯”是量子计算机。尽管2010年之前量子计算机研发较为缓慢，但从2011年之后，其研制步伐骤然提速，而所涉及到的关键技术则都掌握在美国企业或科研机构手中。而这种技术突破则源自于美国有关科研组织管理部门长期的布局。

六、IARPA的量子计算机研发计划

人们也许对“斯诺登事件”所泄露出来的美国国家安全局量子计算机研发项目—“攻克难关计划”有所耳闻，但其实该计划（如果真有其事）仅仅是冰山一角。本文上面提到的美国情报界的颠覆性技术创新机构——情报高级研究计划局（IARPA）才是量子计算研发大戏幕后的真正导演。该机构从2007年成立伊始就将原来隶属不同部门，如DARPA、国家安全局、NIST等机构的量子信息科学项目全部统一整合在自己手中，对量子信息科学的整体研究进行了精心谋划和布局，例如从2008年至今，不含秘密项目，IARPA公开启动的量子信息/量子计算机研发项目就包括了CSQ（相干超导量子比特,2008）、MQCO（多量子比特相干调控，2009）、QCS（量子计算科学，2010）、LogiQ（量子逻辑芯片，2015），以及QEO（量子增强优化，2016）等项目。该机构还通过各种项目杠杆，组织本国及欧洲、大洋洲等盟国的量子信息领域顶级研究团队进行协同攻关，而所有这一切的终极目标均剑指量子计算机这个圣杯。举例而言，最近在量子计算机关键技术领域接连取得突破的澳大利亚新南威尔士大学、澳洲国立大学等，其研究项目就长期获得了IARPA的资助。但由于IARPA的经费受美国“信息自由法案”的例外保护，无需像DARPA等部门那样必须公开接受纳税人监督，因此美方在该领域投入的总经费外人很难窥其全貌。尽管如此，人们仍然可以从IARPA近期组织的几个量子计算项目来分析其培养、引领和主导未来全球新型计算能力的雄心壮志。

一个是近期启动项目招标的“量子增强优化”项目（Quantum Enhancement Optimization，QEO）。该计划的目的是改进颇具争议性的“量子计算机”—D-Wave 的适应范围。D-Wave是一家加拿大公司研发的人类首款利用量子效应进行计算（准确的讲，应该是仿真模拟）的硬件设备，只不过它没有使用最值得期待的量子相干/纠缠这种量子效应，这是真正的量子计算机的计算能力远远超越现有电子计算机的根本原因，而是利用所谓的量子隧穿/涨落来实现“量子退火优化算法”。IARPA希望在D-Wave已经产生了提速效果的数学优化问题的基础上，进一步扩大其应用面，大幅度提升数据处理能力。由于IARPA所在的上级主管部门—国家情报总监办公室掌握着世界上最齐、最多的数据源（该机构负责协调管理来自美国陆海空所有军种，国家侦查办公室、CIA、NSA等所有情报部门，以及国务院、FBI、国土安全部等共计16个军方和联邦政府强力部门的情报数据），因此QEO项目的目标是尽快向世人展示量子计算机即使仅仅使用量子涨落等这些“低技术门槛”效应，还没有用到量子相干/纠缠这样的“洪荒之力”，也具有非凡的大数据处理能力。

IARPA在近期启动的另一个项目LogiQ更能代表量子计算机研发步伐为何骤然提速。

人们一般认为，大规模通用容错型量子计算机（即“量子信息科学的圣杯”）研发需要经历7个阶段，也称之为“七步阶梯模型”。上个世纪末、本世纪初人们已经迈上了第一、二级台阶。之后世界各国的研发团队均陷入了胶着状态。在沉寂了近十年之后，从2011/2012年开始，一方面理论上取得突破，大规模通用容错型量子计算机的“降噪门槛理论”成形，另一方面硬件实现也取得大的进展，以美国加州大学圣芭芭拉分校的John Martinis等为代表的科研团队迈上了第三、四级台阶（2014年Google聘请Martinis教授主管该公司的量子计算机研发项目），目前人们正集中攻克第五步—量子逻辑门设计，这就是IARPA的LogiQ项目的目标。

量子逻辑门设计这一步的重要性可以从下面这个历史典故中看出来。美国大科学工程史上最著名的的项目—“曼哈顿工程”最终取得成功，最为关键的一步是意大利裔物理学家费米1941年在芝加哥大学棒球场看台下面搭建的“芝加哥一号反应堆”（CP-1），这是人类历史上首次实现“链式反应”的著名科学事件。而CP-1反应堆成功运行之后，原子弹研发工作再也没有遇到不可克服的技术困难。这就是CP-1号反应堆在整个“曼哈顿工程”中的地位。而IARPA的项目原主管David Moehring在评价LogiQ这个项目的意义的时候，直接将其与芝加哥一号堆作了类比！

LogiQ项目经过欧美各大公司、研究机构的激烈竞标之后，由美国IBM公司著名的Waston实验室中标，并于2016年2月开始启动。而在此之前的2015年4月，该实验室已经在超导型量子计算逻辑门芯片设计方面取得了一个里程碑式的突破，他们向世人展示了如何将两对处于相干叠加态的量子“封装”到一个4╳4的晶格芯片当中，从而实现“间接的量子调控”，这为解决在芯片上进行量子无损测控这一拦路虎提供了崭新的技术路径。

LogiQ项目为期5年，预计2020年结题。从项目的年度验收指标来看，IARPA实施的这一项目已然是一个工程技术攻关项目，而非科学前沿探索性课题。更需引起关注的是，美国其他高科技企业，如Google目前也在全力以赴的攻克第五步，并认为有望在未来二至三年时间迈上第五级台阶，而如果在经费得以充分保障的情况下，第六级台阶—多个量子逻辑门的封装则有望在五年之内实现。加之世界主要科研团队在量子寄存器领域的研究进展，量子计算机的核心器件—量子CPU（QCPU）就有望在未来十年当中成为现实。

事实上，一旦QCPU研发成功，人们甚至都不用继续攻克第7级台阶，而是以QCPU为核心计算器件，再辅助以现有的超级计算机作为外围设备来进行“量子信息”与“经典信息”之间的转换，人们就可以在这种综合性超级计算机上大展拳脚了。美国能源部下属的先进科学技术研究署（ASCR，能源部主管超级计算研发的机构）主任史蒂夫·宾利（Steve Binkley）也持这种观点。

综上，我们有理由认为，美国正在进行一个目的清晰、布局完整、并且有组织协调的一揽子量子计算机研发计划，一旦研发成功，量子计算机必将成为“国家战略计算倡议”未来计算的主要选型，并开始培养新的产业链，并促进本国受到CMOS技术制约的现有IT高科技企业向量子信息技术QIT转型。

七、对美国“国家战略计算倡议”的分析

美国于2015年7月29日正式公布的“国家战略计算倡议”将在未来的执行过程中，笔者认为主要有以下几个特征：

（一）政府强势主导，企业竞争激烈

“国家战略计算倡议”及其2016年7月颁布的《战略计算战略计划》明确了一个由联邦核心部门组成的战略计算闭环（领导、执行、应用）。其涉及的部门之广，甚至超过了二战时期的“曼哈顿计划”以及上个世纪六十年代启动的“阿波罗计划”。其中一个主要原因是这些联邦政府部门对大数据处理的迫切需求。由于联邦政府的应用需求明确，所以导致了众多著名的IT巨头也投入巨资参与其中，并纷纷推出各自的技术方案。然而必须指出的是，与美国联邦政府的企图心相比，世界其他国家（包括我国）对这一新型战略计算能力的认识仍有较大差距，没有或很少从大系统工程的角度来考虑未来新型战略计算所带来的颠覆性影响。

顺便需要指出的是，“国家战略计算倡议”不会因总统换届而终止。尽管美方也有一些观点认为“国家战略计算倡议”是否会随着奥巴马政府任期结束而胎死腹中。但从美方组织大型战略计划，如“阿波罗计划”（1962-1972）、“NITRD”（1992至今）虽然都经历了民主、共和两党轮流执政，但仍然保持其一致性并最终取得了成功，这些案例等均可看出，一旦涉及国家整体竞争力的升级换代，美方无论何人何党主政，其既定科技战略计划将不会受实质性影响。

（二）“国家战略计算倡议”的方案选型

尽管目前在任何一份官方文件当中，美方均未明确“国家战略计算倡议”的未来选型方案，但主要的技术路线已经逐渐汇聚到超导计算、神经元计算、量子计算等几种方案上来。但如果从是否依赖CMOS技术（而不是所谓的“冯?诺依曼架构”或“非冯架构”来区分）来看，“国家战略计算倡议”计划的中长期选型方案一定不会再走CMOS的老路和死路。因此目前比较成熟的方案仅有量子计算，而且是比较有利于美国高科技企业转型的超导型量子计算等方案。

特别需要指出的是，人们往往存在一个认识上的误区，认为由于量子计算机不是一个“万能的机器”，与现有的电子计算机相仿，仍有许多困难问题无法用量子计算机求解。但从另外一个方面来讲，由于已经在若干重要应用领域，如材料科学、、生物基因、化学工程等领域早已发现了呈指数加速的量子算法，这些算法均将为先进材料设计与制造、人类粮食安全等提供传统电子计算机无法企及的能力，所以量子计算可以称得上目前唯一一种具备“超级算法”的计算设备。同时，量子计算（量子仿真）在若干重大基础性科学发现方面具有其他计算模式无法替代的优越性，例如模拟量子力学与相对论相结合的“量子场论”所预测的结果，宇宙学研究（暗物质与超弦理论仿真）等。这些只有依赖量子计算机才能进行模拟的科学研究所产生的重大成果，甚至有可能为整个人类文明带来全新的影响。这也是世界各主要国家纷纷投入巨资进行“量子前沿”（美国能源部量子计算评估报告用语）研发的主要驱动力之一。最后，从国家安全局以及美国国家标准技术研究所业已启动的“抗量子密码算法标准化工作”也可以再次证明，美方未来战略计算的定位将是量子计算方案。

（三）混合型计算架构

从目前各渠道的资料分析，在可见的将来，所谓的“量子计算机”极有可能采用混合架构：即核心处理芯片采用量子CPU，然后与现有的超级计算机、并行计算集群（如云计算等）等“外设”结合在一起，甚至与神经元计算、与人工智能结合在一起（如深度学习，目前正在快速发展的一个领域就是“量子深度学习”），形成计算优势互补、产业链相连的全新架构。因此，未来的战略计算必将围绕量子信息与量子计算形成全新的生态圈。这对于那些致力于“弯道超车”的国家而言，既是不能回避的挑战，也是千载难逢的战略机遇。

结语

古人云“凡事预则立，不预则废”。以量子计算为代表的基础性、革命性计算能力必将带来人类社会新一轮信息时代的升级换代，形成新一轮文明竞争的大格局，甚至与“人工智能”一道，迈向“量子时代，智能社会”，对人类文明形成“五千年未有之大变局”的冲击，对此应从更高的战略管理层面、更大的系统工程角度予以高度重视，才能抓住新一轮科技革命的浪潮。

量子计算的超强计算和密码破译能力可以说是未来战争的“颠覆者”,这对传统国防通信与保密体系所构成了非常巨大的现实威胁，是任何一个国家和军队都必须正视和面对的。如果不能清醒地看到这一点，一旦某些国家在量子计算方面取得实质的突破，用“寝食难安”来形容军政当局的心理状态可能一点都不过分。由于量子计算所涉及的技术与经费十分庞大，只有真正认知其本质，面对量子计算带来的机遇与挑战，有效利用有限的国家资源与国防资源，选择正确的战略途经与部署，这才能在未来战争中占据先机和主动。