美国专家：“芯片法案”只是让美国保持对华科技优势的第一步

无聊小北

曾经，美国早期的技术实力超越各国，为其国内企业培养了竞争优势。然而，30年后的今天，美国在先进计算领域的领先地位正在持续衰退。到底发生了什么？

麻省理工学院的一位研究人员和他的两位同事发布的一份新报告揭示了美国领导力下降的原因。对此，科学家们着眼于高级计算机语言衡量标准展开研究：整体能力、超级计算机、应用算法和半导体制造。经过分析，他们发现，不仅中国缩小了与美国在计算能力方面的差距，而且近80%的美国领导人认为，他们的竞争对手中国正在以更快的速度提高计算能力。该团队表明，这意味着中国“对美国竞争力有巨大威胁”。

为了深入研究这场争论，科学家们对先进计算机用户展开调查，对120个顶级组织抽样，包括大学、国家实验室、联邦机构和工业。该团队估计，这个群体包括美国所有最重要的计算机用户的三分之一或一半。

麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)未来技术研究项目(Future Tech Research Project)主任尼尔·汤普森(Neil Thompson)说：“先进的计算机技术对于美国公司的科学进步、经济增长和竞争力至关重要。”

汤普森还是麻省理工学院数字经济倡议组织（MIT’s Initiative on Digital Economy）的主要调查员，他与竞争力委员会（Council on Competitiveness）的执行副总裁、董事会秘书兼财务主管查德·埃文斯（Chad Evans），以及丹尼尔·阿姆布鲁斯特（Daniel Armbrust）共同撰写了这篇论文，后者是硅催化剂公司（Silicon Catalyst）的联合创始人、初始首席执行官兼董事会成员，以及制定了行业路线图的半导体联盟（SEMATECH）的前主席。

超级计算机是一间房间大小的“巨型计算器”，目前貌似已经不再是由美国主导的行业。到2015年，大约一半最强大的计算机稳稳地坐落在美国，而中国则是在一个非常缓慢的基础上慢慢发展的。但在过去的六年里，中国迅速赶上了美国，几乎与美国平起平坐。

这个消失的领先优势十分重要。84%的美国受访者表示，他们在运行基本程序时受到计算能力的限制。汤普森说：“考虑到我们受访者都是美国研究企业和学术机构的先锋，他们享有获得先进国家超级计算资源的特权。这个结果很能说明问题”。

在先进算法领域，美国历来占据领先地位，三分之二重大改进都是由美国发明家主导的。但近几十年来，美国在算法领域的主导地位一直依赖于引进的外国人才。研究人员表示，目前这种情况并不乐观。自2007年以来，中国在STEM（科学、技术、工程、数学）领域培养的博士数量已经超过了美国等许多国家。一份报告预测，在不久的将来（2025年），中国的博士数量将是美国的两倍。从“戈登贝尔奖”(Gordon Bell Prize)中也可以看出中国在算法领域的崛起，该奖项是为了奖励利用超级计算机实现杰出成果的科学家。美国的获奖者历来在该奖项种占主导，但是在过去的五年中，中国的表现已经赶上甚至超过美国了。

研究人员指出，“2022年芯片与科学法案”是成功重回先进计算领先位置的关键一步，他们也向美国科学技术政策办公室（U.S. Office of Science and Technology Policy）提出了建议。

首先，他们建议推动美国超级计算大众化。建立更多的中间层系统，帮助用户突破边界，同时建立工具，减少用户在扩大计算机规模时前期的资源投资。其次，资助更多电子工程师和计算机科学家，发放长期居留美国奖励和学术奖学金，来扩大创新人才库。最后，除了这个新的框架，科学家们敦促利用现存优势，通过学术界和国家实验室超级计算机站点为私企提供高性能计算实验的机会。

计算能力的提高取决于晶体管密度和性能的不断进步，但是创造出强大的新芯片则需要设计和制造的完美融合。

事实上，在过去的五十年里，美国设计了大部分芯片。但这种情况在过去六年中发生了变化，这一成功主要有赖于与全球领先的芯片设计公司的合作，这种合作始于21世纪。现在，中国有14家公司跻身于世界50强无晶圆厂设计者之列。十年前，还只有一家。

半导体制造业的竞争更加复杂，美国主导的国际政策和内部执行问题减缓了中国的崛起。目前，中国在半导体供应链的12个环节中只有两个基本持平或处在比美国更好的水平。根据美国政府的政策和投资，该团队预计在10年内这个数字将飙升到七。因此，就目前而言，美国在硬件制造领域仍处于领先地位，但优势不大。

科学家们建议白宫科技政策办公室与美国国防部、美国能源部和国家科学基金会等重要国家机构展开合作，确定计划来建立重要计算模式和工作负载所需的硬软件系统。“美国企业能够从速度更快的计算机中获益，这一点至关重要，”汤普森说。“随着摩尔定律演进放缓，实现这一目标的最佳方式是创建一系列根据需求定制的专用芯片（或称“加速器”）。”

科学家们进一步认为，要引领下一代计算机，必须解决四个方面的问题。首先，通过向《芯片法案》美国国家半导体技术中心（CHIPS Act National Semiconductor Technology Center）提出重大挑战，激励研究人员和创业公司投资研发，并为自旋电子学、神经形态学、光学和量子计算以及光互连织物等领域的新技术寻求启动资金。其次，支持盟友通过类似法案，这些技术的总体投资额将会增加，供应链将会更协调、更安全。再次，为研究人员建立测试平台，在新的计算架构和硬件上测试算法，为创新和发现提供必要平台。最后，通过下一代技术进步实现更高性能水平的超百亿亿级系统，确保当前的商业技术不会限制未来的计算系统。

“先进计算领域正风云变幻，技术、经济和政治方面都出现了新的创新机遇，全球竞争也在不断加剧，”犹他大学（University of Utah）首席教授兼计算机科学、电气和计算机工程教授丹尼尔 里德（Daniel Reed）表示。“基于深度学习和计算建模提出的变革性见解既取决于半导体技术的持续进步，也取决于它们在前沿大规模计算系统（超大规模云和高性能计算系统）中的实例化。尽管美国在先进半导体和高性能计算方面历来领先于世界，但其他国家已经认识到，这些能力是21世纪经济竞争力和国家安全不可或缺的一部分，对此各国都在在大力投资。”

“这篇文章把美国在先进计算技术领域的前景描绘得很糟糕，”国家能源研究超级计算中心（National Energy Research Supercomputing Center）首席技术官兼劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）计算机科学与数据科学部主任约翰·沙尔夫（John Shalf）说，“尽管量子和人工智能是美国技术领先的重要领域，但它们无法单独弥补本文概述的先进计算领域的领先不足。美国不能在实现百亿亿次级运算之后停下来。确实需要加倍投资在百亿亿次级运算计划，但也需要重新聚焦更多的跨越式努力，而不是维持现状。如果先进计算创新计划失败，将很难甚至不可能恢复。”