美國專家：“芯片法案”只是讓美國保持對華科技優(yōu)勢的第一步

  ICC訊  曾經(jīng)，美國早期的技術(shù)實(shí)力超越各國，為其國內(nèi)企業(yè)培養(yǎng)了競爭優(yōu)勢。然而，30年后的今天，美國在先進(jìn)計算領(lǐng)域的領(lǐng)先地位正在持續(xù)衰退。到底發(fā)生了什么?

  麻省理工學(xué)院的一位研究人員和他的兩位同事發(fā)布的一份新報告揭示了美國領(lǐng)導(dǎo)力下降的原因。對此，科學(xué)家們著眼于高級計算機(jī)語言衡量標(biāo)準(zhǔn)展開研究：整體能力、超級計算機(jī)、應(yīng)用算法和半導(dǎo)體制造。經(jīng)過分析，他們發(fā)現(xiàn)，不僅中國縮小了與美國在計算能力方面的差距，而且近80%的美國領(lǐng)導(dǎo)人認(rèn)為，他們的競爭對手中國正在以更快的速度提高計算能力。該團(tuán)隊表明，這意味著中國“對美國競爭力有巨大威脅”。

  為了深入研究這場爭論，科學(xué)家們對先進(jìn)計算機(jī)用戶展開調(diào)查，對120個頂級組織抽樣，包括大學(xué)、國家實(shí)驗(yàn)室、聯(lián)邦機(jī)構(gòu)和工業(yè)。該團(tuán)隊估計，這個群體包括美國所有最重要的計算機(jī)用戶的三分之一或一半。

  麻省理工學(xué)院計算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室(CSAIL)未來技術(shù)研究項(xiàng)目(Future Tech Research Project)主任尼爾·湯普森(Neil Thompson)說：“先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)對于美國公司的科學(xué)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)增長和競爭力至關(guān)重要?！?

  湯普森還是麻省理工學(xué)院數(shù)字經(jīng)濟(jì)倡議組織(MIT’s Initiative on Digital Economy)的主要調(diào)查員，他與競爭力委員會(Council on Competitiveness)的執(zhí)行副總裁、董事會秘書兼財務(wù)主管查德·埃文斯(Chad Evans)，以及丹尼爾·阿姆布魯斯特(Daniel Armbrust)共同撰寫了這篇論文，后者是硅催化劑公司(Silicon Catalyst)的聯(lián)合創(chuàng)始人、初始首席執(zhí)行官兼董事會成員，以及制定了行業(yè)路線圖的半導(dǎo)體聯(lián)盟(SEMATECH)的前主席。

  超級計算機(jī)是一間房間大小的“巨型計算器”，目前貌似已經(jīng)不再是由美國主導(dǎo)的行業(yè)。到2015年，大約一半最強(qiáng)大的計算機(jī)穩(wěn)穩(wěn)地坐落在美國，而中國則是在一個非常緩慢的基礎(chǔ)上慢慢發(fā)展的。但在過去的六年里，中國迅速趕上了美國，幾乎與美國平起平坐。

  這個消失的領(lǐng)先優(yōu)勢十分重要。84%的美國受訪者表示，他們在運(yùn)行基本程序時受到計算能力的限制。湯普森說：“考慮到我們受訪者都是美國研究企業(yè)和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的先鋒，他們享有獲得先進(jìn)國家超級計算資源的特權(quán)。這個結(jié)果很能說明問題”。

  在先進(jìn)算法領(lǐng)域，美國歷來占據(jù)領(lǐng)先地位，三分之二重大改進(jìn)都是由美國發(fā)明家主導(dǎo)的。但近幾十年來，美國在算法領(lǐng)域的主導(dǎo)地位一直依賴于引進(jìn)的外國人才。研究人員表示，目前這種情況并不樂觀。自2007年以來，中國在STEM(科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué))領(lǐng)域培養(yǎng)的博士數(shù)量已經(jīng)超過了美國等許多國家。一份報告預(yù)測，在不久的將來(2025年)，中國的博士數(shù)量將是美國的兩倍。從“戈登貝爾獎”(Gordon Bell Prize)中也可以看出中國在算法領(lǐng)域的崛起，該獎項(xiàng)是為了獎勵利用超級計算機(jī)實(shí)現(xiàn)杰出成果的科學(xué)家。美國的獲獎?wù)邭v來在該獎項(xiàng)種占主導(dǎo)，但是在過去的五年中，中國的表現(xiàn)已經(jīng)趕上甚至超過美國了。

  研究人員指出，“2022年芯片與科學(xué)法案”是成功重回先進(jìn)計算領(lǐng)先位置的關(guān)鍵一步，他們也向美國科學(xué)技術(shù)政策辦公室(U.S. Office of Science and Technology Policy)提出了建議。

  首先，他們建議推動美國超級計算大眾化。建立更多的中間層系統(tǒng)，幫助用戶突破邊界，同時建立工具，減少用戶在擴(kuò)大計算機(jī)規(guī)模時前期的資源投資。其次，資助更多電子工程師和計算機(jī)科學(xué)家，發(fā)放長期居留美國獎勵和學(xué)術(shù)獎學(xué)金，來擴(kuò)大創(chuàng)新人才庫。最后，除了這個新的框架，科學(xué)家們敦促利用現(xiàn)存優(yōu)勢，通過學(xué)術(shù)界和國家實(shí)驗(yàn)室超級計算機(jī)站點(diǎn)為私企提供高性能計算實(shí)驗(yàn)的機(jī)會。

  計算能力的提高取決于晶體管密度和性能的不斷進(jìn)步，但是創(chuàng)造出強(qiáng)大的新芯片則需要設(shè)計和制造的完美融合。

  事實(shí)上，在過去的五十年里，美國設(shè)計了大部分芯片。但這種情況在過去六年中發(fā)生了變化，這一成功主要有賴于與全球領(lǐng)先的芯片設(shè)計公司的合作，這種合作始于21世紀(jì)。現(xiàn)在，中國有14家公司躋身于世界50強(qiáng)無晶圓廠設(shè)計者之列。十年前，還只有一家。

  半導(dǎo)體制造業(yè)的競爭更加復(fù)雜，美國主導(dǎo)的國際政策和內(nèi)部執(zhí)行問題減緩了中國的崛起。目前，中國在半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的12個環(huán)節(jié)中只有兩個基本持平或處在比美國更好的水平。根據(jù)美國政府的政策和投資，該團(tuán)隊預(yù)計在10年內(nèi)這個數(shù)字將飆升到七。因此，就目前而言，美國在硬件制造領(lǐng)域仍處于領(lǐng)先地位，但優(yōu)勢不大。

  科學(xué)家們建議白宮科技政策辦公室與美國國防部、美國能源部和國家科學(xué)基金會等重要國家機(jī)構(gòu)展開合作，確定計劃來建立重要計算模式和工作負(fù)載所需的硬軟件系統(tǒng)。“美國企業(yè)能夠從速度更快的計算機(jī)中獲益，這一點(diǎn)至關(guān)重要，”湯普森說?！半S著摩爾定律演進(jìn)放緩，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最佳方式是創(chuàng)建一系列根據(jù)需求定制的專用芯片(或稱“加速器”)?！?

  科學(xué)家們進(jìn)一步認(rèn)為，要引領(lǐng)下一代計算機(jī)，必須解決四個方面的問題。首先，通過向《芯片法案》美國國家半導(dǎo)體技術(shù)中心(CHIPS Act National Semiconductor Technology Center)提出重大挑戰(zhàn)，激勵研究人員和創(chuàng)業(yè)公司投資研發(fā)，并為自旋電子學(xué)、神經(jīng)形態(tài)學(xué)、光學(xué)和量子計算以及光互連織物等領(lǐng)域的新技術(shù)尋求啟動資金。其次，支持盟友通過類似法案，這些技術(shù)的總體投資額將會增加，供應(yīng)鏈將會更協(xié)調(diào)、更安全。再次，為研究人員建立測試平臺，在新的計算架構(gòu)和硬件上測試算法，為創(chuàng)新和發(fā)現(xiàn)提供必要平臺。最后，通過下一代技術(shù)進(jìn)步實(shí)現(xiàn)更高性能水平的超百億億級系統(tǒng)，確保當(dāng)前的商業(yè)技術(shù)不會限制未來的計算系統(tǒng)。

  “先進(jìn)計算領(lǐng)域正風(fēng)云變幻，技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和政治方面都出現(xiàn)了新的創(chuàng)新機(jī)遇，全球競爭也在不斷加劇，”猶他大學(xué)(University of Utah)首席教授兼計算機(jī)科學(xué)、電氣和計算機(jī)工程教授丹尼爾 里德(Daniel Reed)表示。“基于深度學(xué)習(xí)和計算建模提出的變革性見解既取決于半導(dǎo)體技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，也取決于它們在前沿大規(guī)模計算系統(tǒng)(超大規(guī)模云和高性能計算系統(tǒng))中的實(shí)例化。盡管美國在先進(jìn)半導(dǎo)體和高性能計算方面歷來領(lǐng)先于世界，但其他國家已經(jīng)認(rèn)識到，這些能力是21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)競爭力和國家安全不可或缺的一部分，對此各國都在在大力投資。”

  “這篇文章把美國在先進(jìn)計算技術(shù)領(lǐng)域的前景描繪得很糟糕，”國家能源研究超級計算中心(National Energy Research Supercomputing Center)首席技術(shù)官兼勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室(LBNL)計算機(jī)科學(xué)與數(shù)據(jù)科學(xué)部主任約翰·沙爾夫(John Shalf)說，“盡管量子和人工智能是美國技術(shù)領(lǐng)先的重要領(lǐng)域，但它們無法單獨(dú)彌補(bǔ)本文概述的先進(jìn)計算領(lǐng)域的領(lǐng)先不足。美國不能在實(shí)現(xiàn)百億億次級運(yùn)算之后停下來。確實(shí)需要加倍投資在百億億次級運(yùn)算計劃，但也需要重新聚焦更多的跨越式努力，而不是維持現(xiàn)狀。如果先進(jìn)計算創(chuàng)新計劃失敗，將很難甚至不可能恢復(fù)。”