趨勢七、量子計算進入攻堅期

　　【趨勢概要】2019年，“量子霸權”之爭讓量子計算在再次成為世界科技焦點。超導量子計算芯片的成果，增強了行業(yè)對超導路線及對大規(guī)模量子計算實現(xiàn)步伐的樂觀預期。2020年量子計算領域?qū)?jīng)歷投入進一步增大、競爭激化、產(chǎn)業(yè)化加速和生態(tài)更加豐富的階段。作為兩個最關鍵的技術里程碑，容錯量子計算和演示實用量子優(yōu)勢將是量子計算實用化的轉折點。未來幾年內(nèi)，真正達到其中任何一個都將是十分艱巨的任務，量子計算將進入技術攻堅期。

　　【趨勢解讀】通過利用量子力學中非經(jīng)典的性質(zhì)，量子計算有望顛覆當前的計算技術，給經(jīng)濟和社會帶來變革性的進步。目前量子計算正處于從實驗室走進實際應用的轉變之中。2019年谷歌宣稱達到“量子霸權”的里程碑，即其量子計算器件可執(zhí)行一個任何經(jīng)典計算機都無法完成的任務。另一領軍團隊IBM當即反駁，稱該任務仍在經(jīng)典算力之內(nèi)。且不論爭論的是非，谷歌在硬件上的進展大大增強了行業(yè)對超導路線以及對大規(guī)模量子計算實現(xiàn)步伐的樂觀預期。2020年的量子計算將蓬勃發(fā)展，主要特點是技術上進入攻堅和產(chǎn)業(yè)化的加速階段。

　　技術方面，超導量子計算仍將繼續(xù)占據(jù)中心舞臺，并對其他硬件路線造成嚴峻的壓力。因為谷歌在超導方向上的成果皆為已知技術，多個追趕者將按圖索驥，在2020年或做出令人欽佩的復制性結果，或陷入高度復雜的工程噩夢。而領先團隊的目標已然鎖定在比“量子霸權”更重要且毫無爭議的兩個里程碑：容錯量子計算和演示實用量子優(yōu)勢。前者指的是如何通過量子糾錯，避免硬件錯誤的累積，技術上需要同時在“高精度”和“大規(guī)模”兩個維度上突破，后者指有力地證明量子計算機可以用超越經(jīng)典計算的性能解決一個有實際意義的問題。至于演示實用量子優(yōu)勢是否能繞過糾錯，還有待歷史證明，因為實際問題要求的規(guī)?？赡苋绱酥螅瑢е聦鹊囊蟛坏陀诩m錯的要求。在2020年，乃至未來幾年，毫無爭議地達到這兩個目標中任何一個都非常艱巨，故而量子計算將進入技術攻堅時期。

　　產(chǎn)業(yè)和生態(tài)方面，政府、企業(yè)和學術機構的規(guī)劃和投入將升級、擴大。競爭將在多個維度激化：領軍團隊規(guī)模擴充的同時透明性下降；人為設障的風險上升。產(chǎn)業(yè)分工將進一步細化：制冷、微波、低溫電子控制、設計自動化、制備代工等領域在資本推動、政策扶植和生態(tài)滋養(yǎng)下蓬勃發(fā)展。各行龍頭企業(yè)會加力探索應用，助長算法和軟件。

　　國際上工業(yè)界-學界-開放性平臺和服務三方將相互賦能。工業(yè)界的工程復雜度任何純學術團隊無法企及；學界將探索高不確定、顛覆性的方向；開放性平臺和服務將降低研究和創(chuàng)業(yè)的時間和成本，加速整個領域的迭代和創(chuàng)新速度。這一生態(tài)依賴于人才的自由流動，深厚的基礎研究能力，和強大的企業(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、激勵創(chuàng)新、帶動民間投入為目標的政策引領。

　　趨勢八、新材料推動半導體器件革新

　　【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體產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，各大半導體廠商對于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制實現(xiàn)全新的邏輯、存儲及互聯(lián)概念和器件，推動半導體產(chǎn)業(yè)的革新。例如，拓撲絕緣體、二維超導材料等能夠?qū)崿F(xiàn)無損耗的電子和自旋輸運，可以成為全新的高性能邏輯和互聯(lián)器件的基礎；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】半個世紀以來半導體產(chǎn)業(yè)都在竭力遵循摩爾定律，在取得巨大經(jīng)濟效益的同時也從根本上改變了人類社會的發(fā)展進程。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，也使得半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展面臨著摩爾定律放緩導致的產(chǎn)品升級困難以及大數(shù)據(jù)導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，從而難以實現(xiàn)半導體產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

　　雖然新的材料和器件架構如高介電常數(shù)介電層（high-k dielectrics）、鰭式晶體管（FinFET）以及銅質(zhì)導線，擴展了傳統(tǒng)半導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，但一個可以確定的趨勢是越來越多的新材料將會被應用在半導體產(chǎn)業(yè)中，這些新材料將將會通過新的物理機制實現(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)導線以增強穩(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致3D堆集的架構以增加芯片的密度。這些器件的物理機制清楚，當然大規(guī)模應用還需要半導體廠商來解決工藝實現(xiàn)、工程配套等方面的挑戰(zhàn)。

　　從更長遠的角度來看，更具挑戰(zhàn)性的材料及全新的物理機制將是半導體產(chǎn)業(yè)能夠保持甚至加速指數(shù)式的增長的關鍵。新物理機制是全新的高性能的邏輯和互聯(lián)器件的基礎，比如基于量子效應的強關聯(lián)材料和拓撲絕緣體、新發(fā)現(xiàn)的二維材料中魔幻角度下的超導現(xiàn)象等會導致無損耗的電子和自旋輸運。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，實現(xiàn)對摩爾定律的突破。

　　新材料和新機制將會對傳統(tǒng)的半導體產(chǎn)業(yè)進行全面洗牌，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。這對設備廠商，晶圓廠及電路設計公司都會帶來歷史性的挑戰(zhàn)和機遇，也會為新興的公司及產(chǎn)業(yè)提供振奮人心的發(fā)展機會。

　　趨勢九、保護數(shù)據(jù)隱私的AI技術將加速落地

　　【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技術保護數(shù)據(jù)隱私正在成為新的技術熱點，其能夠在保證各方數(shù)據(jù)安全和隱私的同時，聯(lián)合使用方實現(xiàn)特定計算，解決數(shù)據(jù)孤島以及數(shù)據(jù)共享可信程度低的問題，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的價值。

　　【趨勢解讀】數(shù)字經(jīng)濟時代，數(shù)據(jù)成為社會經(jīng)濟發(fā)展的新生產(chǎn)要素，數(shù)據(jù)流動價值也越來越受到人們的重視。然而在企業(yè)數(shù)字化建設過程中，由于規(guī)劃、設計、管理等方面存在的問題，導致業(yè)務系統(tǒng)在功能上不關聯(lián)互動、信息不共享互換，各個系統(tǒng)之間容易形成數(shù)據(jù)孤島的問題，進一步制約數(shù)據(jù)共享所帶來的流動價值。在越來越多對數(shù)據(jù)隱私的擔憂聲中，政府開始行動制定數(shù)據(jù)使用合規(guī)法案，大量的數(shù)據(jù)因為需要依法保護而無法被聯(lián)合在一起計算。針對“數(shù)據(jù)孤島”現(xiàn)象，目前大部分數(shù)據(jù)共享平臺本質(zhì)上都是基于中心化的數(shù)據(jù)交換機制，存在過程復雜、通信成本高、效率低、所有權模糊化、數(shù)據(jù)泄露風險大的缺點，而且無法保護用戶的個人隱私。保護隱私的AI安全技術能夠在保證各方數(shù)據(jù)安全和隱私的同時，聯(lián)合使用各方數(shù)據(jù)來達到特定的訓練與使用AI的目的，大大降低信任成本與會計成本，從而充分發(fā)揮數(shù)據(jù)的價值，解決數(shù)據(jù)孤島以及數(shù)據(jù)共享可信程度低的問題。

　　保護數(shù)據(jù)隱私的AI安全技術拓展傳統(tǒng)分布式計算以及信息安全范疇，為網(wǎng)絡協(xié)作計算提供一種新的計算模式。它可通過多種技術結合保護數(shù)據(jù)安全，包括安全多方計算、差分隱私、同態(tài)加密、混淆電路、加密搜索與計算、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技術創(chuàng)新的中心

　　【趨勢概要】隨著云技術的深入發(fā)展，云已經(jīng)遠遠超過IT基礎設施的范疇，漸漸演變成所有IT技術創(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)動自適應的網(wǎng)絡、大數(shù)據(jù)、AI、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、量子計算整個IT技術鏈路，同時又衍生了無服務器計算、云原生軟件架構、軟硬一體化設計、智能自動化運維等全新的技術模式，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技術變成觸手可及的服務，成為整個數(shù)字經(jīng)濟的基礎設施。

　　【趨勢解讀】從單機離線到超大規(guī)模在線，IT的技術框架發(fā)生了時代性劇變。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，技術創(chuàng)新的主導者與策源地全面轉移到云平臺。云平臺、技術開源、云用戶三者形成驅(qū)動技術創(chuàng)新的新三角。未來新型的計算形態(tài)例如量子計算、AI、新型芯片等創(chuàng)新不僅將首先發(fā)生在云平臺上，同時也將通過云向外界服務。云計算的含義不斷擴展，這使得廣義上的云計算成為數(shù)字經(jīng)濟基礎設施。

　　在全面上云的云計算時代，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)今的應用越來越復雜，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，已經(jīng)無法滿足在超大規(guī)模計算機場景下提升IT計算效率、降低計算成本的訴求。同時隨著大多數(shù)企業(yè)開始全面擁抱云計算，如何最大化發(fā)揮“云”的價值，實現(xiàn)應用的快速上線和高效運行、業(yè)務的秒級啟動等是企業(yè)從容地應對市場快速變化的關鍵。

　　在軟硬件核心技術領域，通過自主可控的技術重新設計軟硬件之間的系統(tǒng)接口，使算法、軟件和硬件設計的溝通會更加緊密，讓現(xiàn)有硬件的算力發(fā)揮到極致，打造適合云基礎設施的新型計算機。通過大幅提升計算效率，實現(xiàn)能夠突破傳統(tǒng)IT時代的算力瓶頸，凸顯云計算的整體優(yōu)勢。在過去的幾年中，用于機器學習加速的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)同設計模式帶來計算效率提升的典范。另一方面，軟硬件協(xié)同設計有利于加強對于底層技術的控制能力，提升云的可靠性和易用性。

　　在云資源交付方式上，云原生讓云計算變得越來越標準化?；跓o服務器計算（Serverless Computing）的應用開發(fā)和交付方式進一步解放云計算能力。Serverless通過更高層次的抽象，由云平臺來負責計算資源的分配、管理和伸縮，讓開發(fā)者只需關注自己的業(yè)務邏輯，而無需顯示地保有計算資源，免去資源管理、系統(tǒng)運維等工作，按需付費的計費方式也可以幫助開發(fā)者實現(xiàn)成本優(yōu)化。無服務器計算進一步簡化微服務（Micro-service）應用架構，用戶只需書寫事件驅(qū)動的函數(shù)實現(xiàn)即可，極大地降低構建云應用的難度。同時無服務器計算進一步推動事件驅(qū)動應用架構的發(fā)展，有效解耦事件源和事件處理者，為企業(yè)提供一個靈活的系統(tǒng)，能夠快速適應變化并實時做出決策。

　　未來的軟件一定是生長于云上的，云原生和無服務器計算正在重塑整個軟件生命周期，從軟件需求設計到研發(fā)到發(fā)布到構建分發(fā)到運維等。在All-in-Cloud的時代，基于軟硬一體化重新設計的云計算基礎設施以及通過云原生的嶄新資源交付方式在提高計算效率、易用性的同時降低計算和運維成本，進一步鞏固云成為數(shù)字經(jīng)濟時代基礎設施。