趨勢七、量子計(jì)算進(jìn)入攻堅(jiān)期

　　【趨勢概要】2019年，“量子霸權(quán)”之爭讓量子計(jì)算在再次成為世界科技焦點(diǎn)。超導(dǎo)量子計(jì)算芯片的成果，增強(qiáng)了行業(yè)對超導(dǎo)路線及對大規(guī)模量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)步伐的樂觀預(yù)期。2020年量子計(jì)算領(lǐng)域?qū)?jīng)歷投入進(jìn)一步增大、競爭激化、產(chǎn)業(yè)化加速和生態(tài)更加豐富的階段。作為兩個(gè)最關(guān)鍵的技術(shù)里程碑，容錯(cuò)量子計(jì)算和演示實(shí)用量子優(yōu)勢將是量子計(jì)算實(shí)用化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。未來幾年內(nèi)，真正達(dá)到其中任何一個(gè)都將是十分艱巨的任務(wù)，量子計(jì)算將進(jìn)入技術(shù)攻堅(jiān)期。

　　【趨勢解讀】通過利用量子力學(xué)中非經(jīng)典的性質(zhì)，量子計(jì)算有望顛覆當(dāng)前的計(jì)算技術(shù)，給經(jīng)濟(jì)和社會帶來變革性的進(jìn)步。目前量子計(jì)算正處于從實(shí)驗(yàn)室走進(jìn)實(shí)際應(yīng)用的轉(zhuǎn)變之中。2019年谷歌宣稱達(dá)到“量子霸權(quán)”的里程碑，即其量子計(jì)算器件可執(zhí)行一個(gè)任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)都無法完成的任務(wù)。另一領(lǐng)軍團(tuán)隊(duì)IBM當(dāng)即反駁，稱該任務(wù)仍在經(jīng)典算力之內(nèi)。且不論爭論的是非，谷歌在硬件上的進(jìn)展大大增強(qiáng)了行業(yè)對超導(dǎo)路線以及對大規(guī)模量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)步伐的樂觀預(yù)期。2020年的量子計(jì)算將蓬勃發(fā)展，主要特點(diǎn)是技術(shù)上進(jìn)入攻堅(jiān)和產(chǎn)業(yè)化的加速階段。

　　技術(shù)方面，超導(dǎo)量子計(jì)算仍將繼續(xù)占據(jù)中心舞臺，并對其他硬件路線造成嚴(yán)峻的壓力。因?yàn)楣雀柙诔瑢?dǎo)方向上的成果皆為已知技術(shù)，多個(gè)追趕者將按圖索驥，在2020年或做出令人欽佩的復(fù)制性結(jié)果，或陷入高度復(fù)雜的工程噩夢。而領(lǐng)先團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)已然鎖定在比“量子霸權(quán)”更重要且毫無爭議的兩個(gè)里程碑：容錯(cuò)量子計(jì)算和演示實(shí)用量子優(yōu)勢。前者指的是如何通過量子糾錯(cuò)，避免硬件錯(cuò)誤的累積，技術(shù)上需要同時(shí)在“高精度”和“大規(guī)模”兩個(gè)維度上突破，后者指有力地證明量子計(jì)算機(jī)可以用超越經(jīng)典計(jì)算的性能解決一個(gè)有實(shí)際意義的問題。至于演示實(shí)用量子優(yōu)勢是否能繞過糾錯(cuò)，還有待歷史證明，因?yàn)閷?shí)際問題要求的規(guī)模可能如此之大，導(dǎo)致對精度的要求不低于糾錯(cuò)的要求。在2020年，乃至未來幾年，毫無爭議地達(dá)到這兩個(gè)目標(biāo)中任何一個(gè)都非常艱巨，故而量子計(jì)算將進(jìn)入技術(shù)攻堅(jiān)時(shí)期。

　　產(chǎn)業(yè)和生態(tài)方面，政府、企業(yè)和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的規(guī)劃和投入將升級、擴(kuò)大。競爭將在多個(gè)維度激化：領(lǐng)軍團(tuán)隊(duì)規(guī)模擴(kuò)充的同時(shí)透明性下降；人為設(shè)障的風(fēng)險(xiǎn)上升。產(chǎn)業(yè)分工將進(jìn)一步細(xì)化：制冷、微波、低溫電子控制、設(shè)計(jì)自動(dòng)化、制備代工等領(lǐng)域在資本推動(dòng)、政策扶植和生態(tài)滋養(yǎng)下蓬勃發(fā)展。各行龍頭企業(yè)會加力探索應(yīng)用，助長算法和軟件。

　　國際上工業(yè)界-學(xué)界-開放性平臺和服務(wù)三方將相互賦能。工業(yè)界的工程復(fù)雜度任何純學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)無法企及；學(xué)界將探索高不確定、顛覆性的方向；開放性平臺和服務(wù)將降低研究和創(chuàng)業(yè)的時(shí)間和成本，加速整個(gè)領(lǐng)域的迭代和創(chuàng)新速度。這一生態(tài)依賴于人才的自由流動(dòng)，深厚的基礎(chǔ)研究能力，和強(qiáng)大的企業(yè)執(zhí)行力；并將得益于大面積且高效的政府投入，及以降低門檻、激勵(lì)創(chuàng)新、帶動(dòng)民間投入為目標(biāo)的政策引領(lǐng)。

　　趨勢八、新材料推動(dòng)半導(dǎo)體器件革新

　　【趨勢概要】在摩爾定律放緩以及算力和存儲需求爆發(fā)的雙重壓力下，以硅為主體的經(jīng)典晶體管很難維持半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，各大半導(dǎo)體廠商對于3納米以下的芯片走向都沒有明確的答案。新材料將通過全新物理機(jī)制實(shí)現(xiàn)全新的邏輯、存儲及互聯(lián)概念和器件，推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的革新。例如，拓?fù)浣^緣體、二維超導(dǎo)材料等能夠?qū)崿F(xiàn)無損耗的電子和自旋輸運(yùn)，可以成為全新的高性能邏輯和互聯(lián)器件的基礎(chǔ)；新型磁性材料和新型阻變材料能夠帶來高性能磁性存儲器如SOT-MRAM和阻變存儲器。

　　【趨勢解讀】半個(gè)世紀(jì)以來半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)都在竭力遵循摩爾定律，在取得巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也從根本上改變了人類社會的發(fā)展進(jìn)程。人工智能及大數(shù)據(jù)興起為云端及終端裝置帶來更多創(chuàng)新的同時(shí)，也使得半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展面臨著摩爾定律放緩導(dǎo)致的產(chǎn)品升級困難以及大數(shù)據(jù)導(dǎo)致的算力和存儲需求爆發(fā)的雙重壓力。以硅為主體的經(jīng)典晶體管縮放已經(jīng)越來越難以維持，從而難以實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

　　雖然新的材料和器件架構(gòu)如高介電常數(shù)介電層（high-k dielectrics）、鰭式晶體管（FinFET）以及銅質(zhì)導(dǎo)線，擴(kuò)展了傳統(tǒng)半導(dǎo)體廠商的選擇并逐步被采用成為主流，但并沒有從根本上改變傳統(tǒng)的邏輯、存儲及互聯(lián)的原理以及這些器件所面臨的物理原理上的困境。各大半導(dǎo)體廠商對于3納米以下的芯片走向都沒有明確的答案，但一個(gè)可以確定的趨勢是越來越多的新材料將會被應(yīng)用在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，這些新材料將將會通過新的物理機(jī)制實(shí)現(xiàn)全新的邏輯、存儲、及互聯(lián)概念和器件。

　　從近期來看，新材料如鍺和III-V族材料可能會代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硅作為晶體管的通道材料以提升晶體管的速度。新的介電材料如鐵電材料可能會導(dǎo)致超陡的亞閾值坡度以降低晶體管的能耗。新的金屬材料如鈷可能會替代鎢和銅作互聯(lián)導(dǎo)線以增強(qiáng)穩(wěn)定性和減緩信號延遲。二維材料或外延生長的納米層材料可能會導(dǎo)致3D堆集的架構(gòu)以增加芯片的密度。這些器件的物理機(jī)制清楚，當(dāng)然大規(guī)模應(yīng)用還需要半導(dǎo)體廠商來解決工藝實(shí)現(xiàn)、工程配套等方面的挑戰(zhàn)。

　　從更長遠(yuǎn)的角度來看，更具挑戰(zhàn)性的材料及全新的物理機(jī)制將是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)能夠保持甚至加速指數(shù)式的增長的關(guān)鍵。新物理機(jī)制是全新的高性能的邏輯和互聯(lián)器件的基礎(chǔ)，比如基于量子效應(yīng)的強(qiáng)關(guān)聯(lián)材料和拓?fù)浣^緣體、新發(fā)現(xiàn)的二維材料中魔幻角度下的超導(dǎo)現(xiàn)象等會導(dǎo)致無損耗的電子和自旋輸運(yùn)。利用新的磁性材料的自旋-軌道耦合現(xiàn)象可以制備全新的高性能磁性存儲器如SOT-MRAM，而利用新的阻變現(xiàn)象使得全新的高密度、高穩(wěn)定性的阻變存儲器（RRAM）成為可能。雖然這些全新的工作機(jī)制還處在早期的探索中，但他們能從根本上解決傳統(tǒng)器件在物理原理層面所受到的限制，實(shí)現(xiàn)對摩爾定律的突破。

　　新材料和新機(jī)制將會對傳統(tǒng)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進(jìn)行全面洗牌，包括材料的生長、器件的制備以及電路的工作原理都會發(fā)生根本性的變化。這對設(shè)備廠商，晶圓廠及電路設(shè)計(jì)公司都會帶來歷史性的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，也會為新興的公司及產(chǎn)業(yè)提供振奮人心的發(fā)展機(jī)會。

　　趨勢九、保護(hù)數(shù)據(jù)隱私的AI技術(shù)將加速落地

　　【趨勢概要】數(shù)據(jù)流通所產(chǎn)生的合規(guī)成本越來越高。使用AI技術(shù)保護(hù)數(shù)據(jù)隱私正在成為新的技術(shù)熱點(diǎn)，其能夠在保證各方數(shù)據(jù)安全和隱私的同時(shí)，聯(lián)合使用方實(shí)現(xiàn)特定計(jì)算，解決數(shù)據(jù)孤島以及數(shù)據(jù)共享可信程度低的問題，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的價(jià)值。

　　【趨勢解讀】數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代，數(shù)據(jù)成為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新生產(chǎn)要素，數(shù)據(jù)流動(dòng)價(jià)值也越來越受到人們的重視。然而在企業(yè)數(shù)字化建設(shè)過程中，由于規(guī)劃、設(shè)計(jì)、管理等方面存在的問題，導(dǎo)致業(yè)務(wù)系統(tǒng)在功能上不關(guān)聯(lián)互動(dòng)、信息不共享互換，各個(gè)系統(tǒng)之間容易形成數(shù)據(jù)孤島的問題，進(jìn)一步制約數(shù)據(jù)共享所帶來的流動(dòng)價(jià)值。在越來越多對數(shù)據(jù)隱私的擔(dān)憂聲中，政府開始行動(dòng)制定數(shù)據(jù)使用合規(guī)法案，大量的數(shù)據(jù)因?yàn)樾枰婪ūＷo(hù)而無法被聯(lián)合在一起計(jì)算。針對“數(shù)據(jù)孤島”現(xiàn)象，目前大部分?jǐn)?shù)據(jù)共享平臺本質(zhì)上都是基于中心化的數(shù)據(jù)交換機(jī)制，存在過程復(fù)雜、通信成本高、效率低、所有權(quán)模糊化、數(shù)據(jù)泄露風(fēng)險(xiǎn)大的缺點(diǎn)，而且無法保護(hù)用戶的個(gè)人隱私。保護(hù)隱私的AI安全技術(shù)能夠在保證各方數(shù)據(jù)安全和隱私的同時(shí)，聯(lián)合使用各方數(shù)據(jù)來達(dá)到特定的訓(xùn)練與使用AI的目的，大大降低信任成本與會計(jì)成本，從而充分發(fā)揮數(shù)據(jù)的價(jià)值，解決數(shù)據(jù)孤島以及數(shù)據(jù)共享可信程度低的問題。

　　保護(hù)數(shù)據(jù)隱私的AI安全技術(shù)拓展傳統(tǒng)分布式計(jì)算以及信息安全范疇，為網(wǎng)絡(luò)協(xié)作計(jì)算提供一種新的計(jì)算模式。它可通過多種技術(shù)結(jié)合保護(hù)數(shù)據(jù)安全，包括安全多方計(jì)算、差分隱私、同態(tài)加密、混淆電路、加密搜索與計(jì)算、可信軟硬件等；也可利用人工智能保障模型魯棒與安全性，如模型加固、數(shù)據(jù)毒化防御、對抗性樣本防御等。

　　趨勢十、云成為IT技術(shù)創(chuàng)新的中心

　　【趨勢概要】隨著云技術(shù)的深入發(fā)展，云已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過IT基礎(chǔ)設(shè)施的范疇，漸漸演變成所有IT技術(shù)創(chuàng)新的中心。云已經(jīng)貫穿新型芯片、新型數(shù)據(jù)庫、自驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、AI、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、量子計(jì)算整個(gè)IT技術(shù)鏈路，同時(shí)又衍生了無服務(wù)器計(jì)算、云原生軟件架構(gòu)、軟硬一體化設(shè)計(jì)、智能自動(dòng)化運(yùn)維等全新的技術(shù)模式，云正在重新定義IT的一切。廣義的云，正在源源不斷地將新的IT技術(shù)變成觸手可及的服務(wù)，成為整個(gè)數(shù)字經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施。

　　【趨勢解讀】從單機(jī)離線到超大規(guī)模在線，IT的技術(shù)框架發(fā)生了時(shí)代性劇變。傳統(tǒng)IT范式出現(xiàn)失速，而借助與客戶的緊密協(xié)同并降低使用門檻，云計(jì)算不但成為傳統(tǒng)IT的顛覆者，傳統(tǒng)IT接口開始逐漸被云端接口取代和重新定義。

　　與此同時(shí)，技術(shù)創(chuàng)新的主導(dǎo)者與策源地全面轉(zhuǎn)移到云平臺。云平臺、技術(shù)開源、云用戶三者形成驅(qū)動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新的新三角。未來新型的計(jì)算形態(tài)例如量子計(jì)算、AI、新型芯片等創(chuàng)新不僅將首先發(fā)生在云平臺上，同時(shí)也將通過云向外界服務(wù)。云計(jì)算的含義不斷擴(kuò)展，這使得廣義上的云計(jì)算成為數(shù)字經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)設(shè)施。

　　在全面上云的云計(jì)算時(shí)代，傳統(tǒng)的軟硬件分離迭代的模式逐步顯現(xiàn)出局限性，現(xiàn)今的應(yīng)用越來越復(fù)雜，對算力的要求越來越高，而算法、軟件和硬件的隔閡造成巨大算力的浪費(fèi)，已經(jīng)無法滿足在超大規(guī)模計(jì)算機(jī)場景下提升IT計(jì)算效率、降低計(jì)算成本的訴求。同時(shí)隨著大多數(shù)企業(yè)開始全面擁抱云計(jì)算，如何最大化發(fā)揮“云”的價(jià)值，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的快速上線和高效運(yùn)行、業(yè)務(wù)的秒級啟動(dòng)等是企業(yè)從容地應(yīng)對市場快速變化的關(guān)鍵。

　　在軟硬件核心技術(shù)領(lǐng)域，通過自主可控的技術(shù)重新設(shè)計(jì)軟硬件之間的系統(tǒng)接口，使算法、軟件和硬件設(shè)計(jì)的溝通會更加緊密，讓現(xiàn)有硬件的算力發(fā)揮到極致，打造適合云基礎(chǔ)設(shè)施的新型計(jì)算機(jī)。通過大幅提升計(jì)算效率，實(shí)現(xiàn)能夠突破傳統(tǒng)IT時(shí)代的算力瓶頸，凸顯云計(jì)算的整體優(yōu)勢。在過去的幾年中，用于機(jī)器學(xué)習(xí)加速的AI芯片，以及新一代虛擬化專用芯片等都是充分利用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)模式帶來計(jì)算效率提升的典范。另一方面，軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)有利于加強(qiáng)對于底層技術(shù)的控制能力，提升云的可靠性和易用性。

　　在云資源交付方式上，云原生讓云計(jì)算變得越來越標(biāo)準(zhǔn)化?；跓o服務(wù)器計(jì)算（Serverless Computing）的應(yīng)用開發(fā)和交付方式進(jìn)一步解放云計(jì)算能力。Serverless通過更高層次的抽象，由云平臺來負(fù)責(zé)計(jì)算資源的分配、管理和伸縮，讓開發(fā)者只需關(guān)注自己的業(yè)務(wù)邏輯，而無需顯示地保有計(jì)算資源，免去資源管理、系統(tǒng)運(yùn)維等工作，按需付費(fèi)的計(jì)費(fèi)方式也可以幫助開發(fā)者實(shí)現(xiàn)成本優(yōu)化。無服務(wù)器計(jì)算進(jìn)一步簡化微服務(wù)（Micro-service）應(yīng)用架構(gòu)，用戶只需書寫事件驅(qū)動(dòng)的函數(shù)實(shí)現(xiàn)即可，極大地降低構(gòu)建云應(yīng)用的難度。同時(shí)無服務(wù)器計(jì)算進(jìn)一步推動(dòng)事件驅(qū)動(dòng)應(yīng)用架構(gòu)的發(fā)展，有效解耦事件源和事件處理者，為企業(yè)提供一個(gè)靈活的系統(tǒng)，能夠快速適應(yīng)變化并實(shí)時(shí)做出決策。

　　未來的軟件一定是生長于云上的，云原生和無服務(wù)器計(jì)算正在重塑整個(gè)軟件生命周期，從軟件需求設(shè)計(jì)到研發(fā)到發(fā)布到構(gòu)建分發(fā)到運(yùn)維等。在All-in-Cloud的時(shí)代，基于軟硬一體化重新設(shè)計(jì)的云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施以及通過云原生的嶄新資源交付方式在提高計(jì)算效率、易用性的同時(shí)降低計(jì)算和運(yùn)維成本，進(jìn)一步鞏固云成為數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代基礎(chǔ)設(shè)施。