产业观察丨谷歌掌握“量子霸权”？——超级计算机产业应用发展前瞻（上篇）

作者|苑成琨  来源|华高莱斯(ID：RL-CONSULT)

目 录

1.什么是超级计算机？

2.世界主要国家地区超算发展现状及应用领域

3.未来已来，超算技术应用方向前瞻

2019年9月中旬，谷歌在NASA上发表了一篇论文草稿，宣称“谷歌的AI Quantum 研究小组的53量子比特处理器实现了“量子霸权，目前最强超算需要花费10000 年的计算在量子计算机上只用200秒就够了”。

《利用可编程超导处理器实现量子霸权》

资料来源：nature.com/articles/s41586

不过没多久这篇论文就被撤回了，但依然在量子计算领域激起了千层浪。

那么“量子霸权”究竟是什么霸权，对我们又有什么影响呢？

“量子霸权”，翻译自Quantum Supremacy ，最早出现在《 MIT Technology Review 》( 麻省理工科技评论，是由麻省理工学院出版的杂志 )关于谷歌与IBM开展量子计算研究竞争的评述中。他们认为，当量子计算机发展到50量子比特的时候，就能实现“量子霸权”，超过世界上任何传统计算机，能够解决传统计算机解决不了的问题。谷歌针对某个特定的问题，弄出了这么一台量子计算机，然后证明了在这个问题上最厉害的超级计算机都算不过量子计算机，这就是这次谷歌“量子霸权”事件的本质。

估计评述的作者也想不到，他只是想感慨量子计算机的算力优势，没想到这个单词在中国朋友这还有这么复杂的意思。

虽然，此霸权非彼霸权，但是我相信量子计算的计算能力已经勾起了大家的好奇心，那什么是“量子计算机”和“量子比特”，它的计算能力到底有多强呢？

简单来说，如果不是很了解量子的概念，大可以先把量子计算机当成一种先进的电脑，量子比特当成一种特别的比特（比特是传统计算机中表示信息的的最小单位）。大家都知道，传统计算机是靠二进制数字0和1进行储存和运算的，一个比特只能代表一个数，量子比特则由于是量子构成，量子是可以处于叠加状态的（最著名的思想实验就是“薛定谔的猫”），这使量子比特成为了可以同时表达0和1的另类。 

薛定谔的猫思想实验

量子的叠加状态使猫同时处于又生又死的状态

图片来源：wikipedia

量子比特可以处于叠加态的特性使量子计算机获得了传统计算机无法比拟的计算优势。如果扔两枚硬币，传统计算机要像小孩子一样，同一时刻只能在正正、正反、反正、反反这四种状态中选一种，而量子不做选择，所有状态同时全都要。

举一个实际点的例子来说，当面对一个走迷宫的问题时，传统计算机只能一次走一条道路，撞墙后回到起点，一条条的路进行尝试，直到试出来正确的道路，量子计算机则可以同时尝试所有可能的解法，直接找到迷宫的通路！

也就是说量子计算机与传统计算机相比，提高最多的就是计算能力。如果如前面所说集齐50个量子比特进行计算，则在同一时刻可以达到2^50（2的50次方）次运算，与传统计算机相比，现存最先进的传统超级计算机“Summit”需耗时1万年处理的针对性计算任务，量子计算机仅需200秒便可完成！

那么，拥有如此强大的运算能力有什么用呢？

其实，目前我们的前沿科技研究最缺的就是运算能力，为什么人类迟迟破解不了基因的秘密，为什么天气预报是天气估报……都是因为目前计算机运算能力不足，数据算不过来！

可惜现在人类还未能研究出真正意义上的量子计算机，在2000年时，IBM首席科学家迪文森佐提出了量子计算机应该满足的五条标准，可现在还没有任何计算机能全部达标（ 包括谷歌这次 ），谷歌这次的算法并不能使量子计算机进入可以使用的阶段，只是针对一个固定的数学问题进行了一次运算测试。

虽然我们还未能真正的使用量子计算机为我们的生活服务，好像白白激动了一场，但其实量子计算机这类仿佛处于科幻世界中的超级计算机已经逐渐渗透到了我们的生活之中，并利用它们强大的计算能力对我们的日常生活产生了难以忽视的影响。

超级计算机在我们的生活中到底起到了什么作用？我们需要从超级计算机的起源说起。

一

什么是超级计算机？

“超级计算”（supercomputing）这名词第一次出现，是在1929年《纽约世界报》关于IBM为哥伦比亚大学建造大型报表机（tabulator）的报导。而超级计算机（Supercomputer），指能够执行一般个人计算机无法处理的高速运算的计算机，规格与性能比个人计算机强大许多。

1960年代，超级计算机由徐麦可（Michael Tsui）在坎特罗尔数据公司里设计出来并领先市场，直到1970年代克雷创立自己的公司──克雷研究。凭着他的新设计，他控制了整个超级计算机市场，并占据巅峰位置长达五年（1985年-1990年）。

克雷-2“Cray 2”--1985年至1989年时全球最快计算机

图片来源：commons.wikimedia@David.Monniaux

发展至今，超级计算机仍没有一个严格的定义，人们在不同场合讲的“超级计算机”或“高性能计算机”的含义可能也不一样。国际上有一个为世界上最高性能的500台计算机排名的组织，最近一次排名是2019年6月，第500名的峰值性能是2.1Pflops（2100万亿次浮点计算每秒）。

在这个组织的网站上，高性能计算机（High Performance Computer，HPC）和超级计算机（Supercomputer）是混用的，不加区分地当成一种计算机类型。也就是说，截止2019年中旬，我们可以把超级计算机（高性能计算机）圈定在 Pflops级（千万亿次浮点计算每秒）计算机水平。

超级计算可以应用于核模拟、密码破译、气候模拟、宇宙探索、基因研究、灾害预报、工业设计、新药研制、材料研究、动漫渲染等众多领域，对国防、国民经济建设和民生福祉都有不可替代的重大作用。同时，超级计算也是中美大国博弈的重要领域，每一次较量的胜利都会给国人极大的激励，有力增强了民族自豪感和凝聚力。因此，超级计算不仅是一个国家综合科研水平的重要标志，也是综合支撑国家安全、经济和社会发展等可持续发展的不可替代的信息技术手段，已经成为世界各国的的“国之重器”。

二

世界主要国家地区超算发展现状及应用领域

既然超级计算可以起到如此重要的作用，那么世界上的超算技术到什么程度？它们的应用领域分别是哪些呢？

美 国

美国长期以来对超算产业的大力支持，使得美国在系统研制、计算应用、超算服务及其人员结构等方面保持了国际领先的地位，其超级计算机体系结构的构思、设计、建造以及运维等方面的能力在世界上无出其右。

美国拥有美国能源部（DOE）和美国国家科学基金会（NSF）两大体系，其中美国能源部拥有6个世界级超级计算机，主要用于国家安全（军事）和能源环境方面的应用研究。

美国能源部所拥有的超级计算机及其应用领域

图片来源：根据网络公开资料整理

日 本

长期以来，日本一直是超算强国，早在上世纪80年代中期，日本研发的超级计算机在性能方面就屡次超越美国，富士通和NEC等制造的向量机甚至一度“倾销”美国本土。但之后日本在超级计算机研发上节节退步。1993年6月的TOP500中，日本制造的超级计算机占21%，而最新一期TOP500中只剩下1%。但其在节能技术上仍保持世界领先水平，尤以两次获问鼎Green500的东京工业大学TSUBAME-KFC为代表。

日本的超级计算机分布

资料来源：根据网络公开资料整理

日本超算应用研发的水平很高，仅次于美国。日本超算产业强调以社会问题为导向，发展科学计算对解决社会问题的贡献，以及科学计算与研究领域融合实现新的科学发现，将针对药物发现与医疗保健、一般灾害预防、能源环境问题和社会经济预测等4个重点领域。在地震预测、天气预报、汽车、材料等方面具有较大优势，并在2011-2012年连续蝉联两届ACM Gordon Bell奖。日本没有大型的公共高性能计算平台，目前的超算中心大都依托于专业研究机构和高校。

欧 洲

为了与美日抗衡，欧洲诸国也十分重视发展超级计算基础设施，重点侧重于软件、应用和算法的研究。目前欧洲内部大致格局是瑞士CSCS一马当先，德国的三大、英国的两大国家超算中心紧随其后，后起之秀西班牙的BSC正奋起直追，针对E级计算机也规划了若干个发展计划。

欧盟各国超级计算机分布及排名

资料来源：根据网络公开资料整理

注：PRACE全称是欧洲高级计算合作伙伴计划(Partnership for Advanced Computing in Europe)，旨在为欧洲地区科研机构提供具有世界级水平的高性能计算服务。

中 国

我国关于高性能计算发展战略主要由国家科技部主导，纳入国家高技术研究发展计划（863 计划），以5年为周期，通过部省（市）合作计划开展主机研制工作。

截止2019年，来自中国超算的制造厂商的超算数量占比达到45.4%，我国自身拥有并使用的P级以上计算能力的超算中心有6家单位（见下表），从应用方向上看，我国超算应用领域有别于世界其他国家地区，主要以科学研究、云计算、工程计算等公共服务平台应用方向为主。

中国超级计算机分布及应用情况

资料来源：根据网络公开资料整理

未完待续，敬请期待

参考资料

1.谷歌号称实现的“量子霸权”，究竟霸了个什么权？ 

https://www.toutiao.com/a6745268022962815499/

2.历军：中国超算产业发展现状分析

https://new.qq.com/omn/20190702/20190702A0ISD9.html

3.高性能计算之源起——科学计算的应用现状及发展思考

https://kknews.cc/zh-sg/science/34lgmbo.html

4.新兴高性能计算行业应用及发展战略

http://www.bulletin.cas.cn/zgkxyyk/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20190606&flag=1

5.中国高通量计算机的自主研发之路

http://www.bulletin.cas.cn/zgkxyyk/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20190607&flag=1

6.中国超算提速 融合计算成趋势

http://www.xinhuanet.com/tech/2019-07/23/c_1124786755.htm

7.新挑战与新可能，ISC19透视下一代超级计算机

http://www.nscc-gz.cn/newsdetail.html?7897

8.国内外超算中心发展现状

https://www.r-ccs.riken.jp/r-ccssite/wp-content/uploads/2017/05/Analysis-of-the-Characteristics-and-Development-Trends.pdf

9.上榜数量全球第一，中国超算未来怎么走

http://www.mtx.cn/detail/gcdetail.htm?id=681032

10.高性能计算和人工智能：融合共荣的未来

https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/analytics/high-performance-computing/hpc-and-ai-intertwined-futures-article.html

11.郭华东. 科学大数据——国家大数据战略的基石. 中国科学院院刊, 2018, 33(8): 768-773

http://www.bulletin.cas.cn/publish_article/2018/8/20180803.htm

编者按：本文转载自微信公众号：华高莱斯（ID：RL-CONSULT），作者：苑成琨