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中国高科技:从“追赶”到“领跑”(二)

时间:2021-01-08     作者:文/《中国民商》记者 李雨蒙【转载】   来自:《中国民商》2021年01期

中国建立伊始,毛主席曾有言:“现在我们能做什么?我们只能造桌子椅子、茶壶茶碗,一辆汽车、一辆飞机、一辆拖拉机都不能造!”七十余载励精图治,我们从累累失败、频频忍辱中,创造出一个个闪耀的重大科学成果,“神舟飞天”“嫦娥探月”“北斗组网””蛟龙入海”“墨子升空”,让中国从一穷二白走向了世界科技的舞台中央,开辟出全球科技的新格局。


超级计算机:数十载努力结硕果

1997年5月1日,IBM公司生产的超级计算机“深蓝”,因战胜了国际象棋大师卡斯帕罗夫而一举成名。超级计算机是计算机中体型庞大、功能最强、运算速度最快、存储容量最大并且价格最昂贵的一类计算机,多应用于尖端技术领域,是一个国家重要的战略资源,在模拟核试验、飞行器设计、监听对方通讯系统、反导弹武器系统等重要领域具有重要作用,对国家安全、经济和社会发展具有举足轻重的意义。

经过几十年的不懈努力,我国超算研制取得了丰硕的成果,“银河”“曙光”“天河”等一批国产超级计算机相继出现,成为继美国、日本后,第三个具备研制高端计算机实力的国家。

然而,在我国还没有超级计算机的岁月,严重的国际封锁让我们处处受限于人,所谓“落后就要挨打”。由于没有巨型计算机数亿次的计算能力,当时我们勘探出的石油矿藏数据资料,都要用飞机送到美国做三维处理,将国家机密拱手于人。当中国提出购买美方的巨型机,美国只提供每秒四百万次的落后机器,并且提出各种“屈辱条约”——机器的使用、维修只能由美方派遣,数据也只能由美方处理,中国人不可以进入机房。

改革开放后,邓小平高瞻远瞩,决定立即启动巨型计算机的研制工程,将任务交给国防科大。时任国防科大计算机研究所所长的慈云桂已60岁,他立下军令状:“就是豁出我这条老命,也一定要把我们自己的巨型机搞出来。”

然而,由于当时我们的技术基础、生产工艺等都与先进国家存在巨大差距、甚至空白,要把当时中国计算机每秒速度提升到一亿次,困难重重。

5年后,研发团队突破关键技术、完成整体设计,把整机系统的250万个焊点一个个焊起来,“银河-Ⅰ”巨型计算机最终研制成功,宣告着中国成为了继美、日之后,世界上仅有的独立设计和制造亿次巨型机的国家。

当时,刚刚诞生的“银河-Ⅰ”就被紧急运到石油工业勘探研究所,在举行进口计算机机房关闭仪式时,参加仪式的科学家们热泪盈眶感叹道:“终于可以在自己的国土上用自己的计算机处理地质数据了,再也不用仰人鼻息了!”

经过几十年不懈的努力,我国高端计算机涌现出一批“超算明星”——银河、曙光、神威、深腾等。2009年,天河一号成为我国首台千万亿次的超级计算机,成为继美国之后世界上第二个能研制千万亿次超级计算机的国家,打破了美国长期的垄断地位。

此后,日本的超级计算机的算力超越天河一号,国外媒体开始质疑中国超算技术只是“昙花一现”。2013年,国防科大推出天河二号,以每秒54.9千万亿次浮点运算,将美国的Titan从世界超级计算机的冠军位置上拉下,成为全球HPC TOP榜单中的新科状元,并霸榜全球超级计算机Top 500三年之久。

2016年6月,神威·太湖之光以每秒12.54亿亿次的峰值性能接棒天河二号。直到2018年6月,美国能源部宣布建成峰值18.77亿亿次的Summit,才重夺TOP 500榜首位置。

超级计算机技术内涵庞杂,涉及架构、通信、存储、集群等领域,但在高水平的竞争中,芯片还是最核心的部分。可是,当美国开始对我国实施芯片制裁后,天河二号就被“卡住了脖子”,在2018年借助中国自研的Matrix-2000加速卡才完成升级。而采用我国自研芯片的神威·太湖之光则没有这样的担忧。所以在核心技术方面,如芯片、HPC软件等,必须掌握在自己的手中,才不会被“卡脖子”,但不少领域,我国的技术水平距离世界强国还有一定的距离。

目前,从超级计算机数量分布来看,中国占比45%,位居世界第一;从超算算力看,美国第一,中国占据25.6%;从超级计算机制造商数量分析看,联想、浪潮、曙光分布占据榜单前三,浪潮、曙光占比26.4%,超过全球的1/4超级计算机由我国制造。

但我们的算力只占10.7%,数量和算力的差距较大,虽然我国的超算制造业已经占据优势,但性能与发达国家相比还相距甚远。所以,我国在超算领域是“超算大国”,还不是“超算强国”。


激光晶体:领跑全球部分产品对外禁运

KBBF是一种非线性光学晶体材料,它能够将激光转化为史无前例的176纳米波长(深紫外)激光,从而可以制造出深紫外固体激光器。这种晶体可以提高国防能力,同时也可以为科学研究和测量技术提供新的能力,这种材料被美国称为“游戏规则的改变者”。

1983,陈创天院士首次向国外同行报告了BBO晶体的非线性光学性能,引发了国际激光界的广泛关注。1990年,陈创天领导的研究课题组成功制造了世界上第一块氟代硼铍酸钾-KBBF晶体。

同年,我国就用这种材料实现了低至204.8纳米相位匹配的二次谐波的发生。它是用于短脉冲(<1纳秒)、高功率(1兆瓦)激光器的很有希望的材料,在红外、可见、紫外光区的激光倍频、和频及光参量振荡器件中有广泛的应用。

2009年,中国意识到这种晶体的战略意义,随即停止对外出口。2013年,中科院网站公布我国深紫外固态激光源系列前沿装备通过验收,我国成为世界上唯一能够制造实用化深紫外全固态激光器的国家。

据美国《自然》杂志报道,其实在陈创天院士制造出KBBF晶体后,美国就以丰厚的待遇邀请陈院士加入美国籍,但遭到了陈院士的拒绝。

面对中国技术封锁的情况下,美国开始投入大量资金研发KBBF晶体。2016年,美国APC(先进光学晶体)公司网站发布声明,宣布该公司与克莱门森大学合作,研制出氟代硼铍酸钾晶体(KBBF)。声明中表示,他们制造的晶体可以与中国制造的晶体相媲美,在部分关键技术领域超过中国同类材料。

不过,这段时间中国也并没有坐等美国的赶超。2015年,中国福建物构所发现新型无铍深紫外非线性光学晶体材料LSBO,成为新一代深紫外非线性光学晶体的优秀候选材料。

事实上,我国丰富的稀土资源非常有利于激光晶体材料生产规模的扩大。当前近90%的激光晶体通过掺入稀土作为激活离子,稀土已成为激光晶体中一族很重要的元素。因此,激光晶体材料的发展必须有充足的稀土资源做保证。我国稀土储量世界第一,尤其是相对短缺的中重稀土,在军事领域具有重要意义。稀土产量占世界稀土商品量的80%-90%,这为我国激光晶体材料产业的发展提供了重要支撑。

激光技术被称作是20世纪的四项重大发明之一,经过半个多世纪的发展,已广泛应用于高科技领域,例如光显示、光通信、生物医疗激光设备、激光先进制造、军事科技以及宇宙探索等,推动了一系列尖端高科技产业的发展,产生了巨大的经济和社会效益,并使其成为了21世纪光电子技术的支柱产业之一,因此促进激光技术的发展已被世界各强国列为了国家级发展计划,比如美国的“激光核聚变计划”、德国的“光学促进计划”、英国的“阿维尔计划”、日本的“激光研究五年计划”等。我国推出《国家中长期科学和技术发展规划》也把推动激光技术的发展作为16项重大规划之一。

而激光晶体是在激光技术发展过程中使用最早,品种最多的一类重要工作材料。当前,激光技术迅猛发展,激光器也趋向于全固态、高效率、多功能和小型化方向发展,这使得激光晶体作为高增益介质在激光技术的研究和应用过程中占据日益重要的位置。

目前在块状晶体方面,“中国牌晶体”在国际上已经具有一定的影响力,比如KBBF晶体、BBO、LBO等,这些晶体都是由中国科学家最先发现、最先应用以及最先实现晶体产业化生产的。KTP晶体是我国首次实现高技术产品出口的晶体,而BGO晶体制成的探测器则是欧洲核子研究中心等国际重大研究设施的关键器件。尤其可喜的是,KBBF晶体是我国独有的晶体,也是唯一向国外禁运的晶体材料与器件。

即便如此,我国目前在激光晶体的发展过程中仍然面临着诸多的挑战,比如技术链和产业链的缺乏。国外在激光晶体研制方面趋向于晶体的应用,重视对整机的研制,而我国则趋向于基础材料及其性能的研究。这样就造成了我国在激光晶体材料发展过程中缺乏完整的技术链和产业链,虽然有不少激光晶体材料的研究处于国际领先地位,但是不能够将这些研究成果由实验室转移到应用开发和产业化。面对这样的差距,我国的激光晶体材料领域仍然需要继续开拓发展、积极创新。


人工智能:走在世界前列但关键领域需加强

人工智能(Artificial Intelligence)简称AI,是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新技术科学,研究领域包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。

1936年,人工智能之父图灵创立自动机理论,提出一个理论计算机模型,奠定电子计算机设计基础,促进人工智能特别是思维机器的研究。1950年图灵的论文《机器能思考吗?》,为即将问世的人工智能提供了科学性和开创性的构思。

20世纪50-60年代,人工智能在西方国家已经得到重视和发展,而在苏联却受到批判,将其斥为“资产阶级的反动伪科学”。受到苏联批判人工智能和控制论的影响,中国在上世纪50年代几乎没有进行人工智能研究。到了上世纪70年代,人工智能仍被认为是伪科学和修正主义。1976年《摘译外国自然科学哲学》刊文称“在批判‘图像识别’和‘人工智能’研究领域各种反动思潮的斗争中,走自己的道路”,足见当时中国人工智能研究还处于迷雾重重的困境之中。

直到上世纪80年代初期,钱学森等多名科学家主张开展人工智能研究,中国的人工智能研究才开始活跃起来。改革开放后,大批留学生赴西方发达国家研究现代科技,其中就包括人工智能和模式识别等学科领域。这些人工智能海归专家,已成为当前中国人工智能研究领域的学术带头人和中坚力量,为中国的人工智能发展做出了重要贡献。

进入21世纪后,人工智能已经成为国际竞争的新焦点,是世界新旧动能改变的新一轮技术革命,引领着全球科技的战略性发展。

2008年,俄罗斯发布《2025年前发展军事科学综合体构想》,强调人工智能系统将成为决定未来战争成败的关键要素。2013年,欧盟提出为期10年的“人脑计划”。2016年,国家发展改革委、科技部、工业和信息化部、中央网信办发布《“互联网+”人工智能三年行动实施方案》,确立了未来中国人工智能的发展方向。2016年10月,美国白宫发布《国家人工智能研究和发展战略规划》,构建美国人工智能发展的实施框架。

2018年后,人工智能从少数大国竞争走向全球布局的新格局,人工智能技术和产业已经步入发展的快车道,大批智能产品、服务及应用不断涌现,智能产业发展掀起新浪潮。

2019年,人工智能行业彻底告别了“喊口号”“包装概念”的时代,步入稳步发展的轨道。人工智能技术和应用开始在各个行业落地,人工智能的成果和场景实践也层出不穷。例如NVDIA开源的StyleGAN,谷歌量子霸权论文正式登上Nature,阿里推出全球最强的AI芯片——含光800等等。这些大事件都表明人工智能技术已经越来越“接地气”。

2020年12月,《自然》杂志AI增刊分别使用了Nature Index(自然指数)数据和规模更大的Dimensions数据库,对全球范围内的人工智能学术研究做了分析和排名。自然指数中中国排在美、英、德之后,位居第四;而Dimensions数据库显示中国远超其他国家,雄踞第一。

仔细分析这两种数据排名,我们不难发现,中国在人工智能研究领域确实已经处于世界前沿地位,但我们在AI应用于传统基础学科方面仍有欠缺。正如许多国际AI报告所指出,中国在论文数量上占据优势,但平均引用量却低于世界平均水平。例如《AI指数报告》统计发现,2019年来自中国的论文被引用量比世界平均水平低约20%,而来自美国的论文被引用量比世界平均水平高约40%。牛津大学人类未来研究所研究中国AI战略的Jeffrey Ding博士认为:“仅仅是大量的、没有持久影响的原始论文并不是真正有用的,跟上技术前沿更重要。”

另外,腾讯研究院发布的《中美两国人工智能产业发展全面解读》显示,在AI基础研究和人才领域,美国基础层人才数量是中国的13.8倍,世界人工智能排名前20的大学中,美国占16所,中国一所都没有。目前中国只有不到30所大学拥有专注于AI的研究室,其中仅有清华大学、中国科技大学等少数几所高校在国际有一定竞争力。

这些数据都反映了中国与美国在人工智能领域的实际差距。虽然我们在人工智能应用方面确实走在了世界前列,比如国内语音识别已经开始在智能家居上的广泛应用,以人脸识别为代表的机器视觉在国内各领域都开始有广泛应用(比如刷脸支付、智能安防),但是我们不能忽视在应用之上更为核心的硬件芯片、软件算法等方面的差距。未来,我国人工智能仍需要在关键薄弱领域弥补加强,开创更多属于中国自己的核心技术,才能使我国人工智能科技真正行稳致远。

千淘万漉虽辛苦,吹尽狂沙始到金。中国人以“敢叫日月换新天”的气概,创造了一个又一个的科技神话。不问前路是否荆棘丛生,只要我们永葆这份自力更生、勇攀高峰、敢为人先的科学探索精神,相信我们定能无惧风雨,一往无前。

(责任编辑  徐高阳)

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