量子計算機「九章」問世:冷眼與嘲笑中,中國超算起步了

12月4日，中國科學技術大學宣布該校潘建偉等人成功構建76個光子的量子計算原型機「九章」，求解數學算法高斯玻色取樣只需200秒，而目前世界最快的超級計算機「富嶽」要用6億年。

這一突破使我國成為全球第二個實現「量子優越性」的國家。美國在傳統半導體晶片技術上一直處於優勢地位，隨著近年來量子計算技術的快速發展，中國這次迎來了超越的機會。

目前，量子計算機仍然處於實驗室研發階段，要成為主流計算技術還需要數年時間。

回首超算領域的發展，中國經歷了很多，也成就了很多。

早在今年6月，TOP500組織發布第55屆全球超級計算機TOP500榜單顯示，中國部署的超級計算機數量蟬聯全球第一，中國的神威太湖之光和天河2A分別位列第四和第五位。

此前，全球沒有任何一個國家取得過如此成就，即便是日本，在其半導體產業的巔峰時期，美國依然佔據著超算版圖上的絕對份額。

從早期的「算力不足恐懼症」，到現在的世界領先水平，中國超算經歷了什麼？

1

「我們想讓自己的孩子們做什麼，給日本電腦擦灰麼？」

1982年6月22日，美國聯邦調查局特工突襲了日立公司在加利福尼亞的辦公室，逮捕了6名職員，並對另外12名在日本境內的嫌疑人發布通緝令。

FBI宣稱，通過其與IBM公司將近一年的密切配合，釣魚執法，已經掌握了兩家日本公司（日立、三菱）竊取IBM先進計算機技術的證據，這起轟動一時的IBM商業間諜案由此拉開了美日半導體高科技產業之爭的序幕。

美日半導體之爭的「揭幕戰」—IBM商業間諜案。

三天後的6月25日，暑期檔星期五，一部名叫《銀翼殺手》的科幻電影在全美上映，導演雷德利·斯科特描繪的未來（2019年）超級都市洛杉磯，已經深深打上了日本資本、日本技術、日本文化，乃至日本移民的烙印，這部電影締造了「賽博朋克」這一全新的科幻亞文化門類，也反映出美國主流社會對日本影響力日益增長的關注。

日本文化衝擊的早期印記。

如果說這種關注在80年代初期還呈現出一種文化交流互鑑的良性勢頭，那麼隨著「日本威脅論」的話語塑造，這種勢頭很快轉為對日本的警惕和敵視。

以超級計算機為代表的日本高科技產業被視為關乎美國國運的巨大威脅。在1984年的總統大選中，美日貿易成為焦點議題之一，民主黨候選人蒙代爾大打」貿易戰」牌，提出了著名的「蒙代爾之問」，「我們想讓自己的孩子們做什麼，給日本電腦擦灰麼？（What do we want our kids to do? Sweep up around the Japanese computers?）」

美國愛國青年以實際行動抵制日貨，很有精神。

美國著名經濟學家李·布蘭斯泰特（Lee Branstetter）曾經一針見血地指出，美日貿易衝突的根源並非經濟因素，而是科學技術與工業能力：「在1980年代，美國人真的擔心美國不再是科技上的領導者......我們不再擁有最好的技術，這傷害了我們的民族自豪感。」

在汽車、鋼鐵等形形色色的美日貿易爭端點中，為何計算機脫穎而出，成為「日本威脅論」的最具號召力、最能夠調動美國公眾共情的代表？這就要從當時的半導體產業生態說起了。

今天，人們已經習慣於把小小的中央處理器（CPU）晶片視為一國半導體產業能力的代表，然而在距今三分之一個世紀前，半導體產業的生態是極為不同的，集成電路的「集成」和網際網路的發展還沒有顛覆產品形態和商用大型機主導的終端需求，80年代，只有不到10%的美國家庭擁有一臺「電腦」，普及率甚至不及任天堂遊戲主機，個人計算機仍然是一個媒體聚光燈之外的雞肋（Niche）市場。

在那個時代，集成的終端設備計算性能而非單個關鍵部件，是衡量一國半導體產業能力的代表性指標，站在終端產品性能頂點的超級計算機，也就理所當然成為半導體高科技榮譽與聲望的象徵。

超級計算機（Supercomputer），是指通過採用特殊設計、工藝、部件與架構，實現運算性能顯著超越同時期商用設備的計算機，通常產量稀少、體積龐大、需要專門的運營與維護，被用於執行各種普通計算機無法完成的工商業計算需求。

在80年代之前，美國人在超級計算機領域處於獨孤求敗的領跑地位，日本廠商在中低端商用計算機領域逐步站穩腳跟後，開始發力衝擊這一產業高端市場。

1983年4月，日本電氣（NEC）公司正式發布了SX系列超級計算機，其中的高端型號SX-2成為世界上第一臺每秒運算速度超過10億次的超算，打破了超級計算機這一產品門類誕生二十年來美國人習以為常的「老子天下第一」認知。其後，SX-2更是成功出口美國，在「祖師爺」的地盤上打敗了本土廠商，直到1985年Cray-2超算的上市，才使美國人重新拿回"最強計算機"的榮譽。

日本超算在80年代突飛猛進的發展，代表著日本半導體高科技產業的崛起，刺激著美國人最敏感的神經，那就是對自身超凡科技能力的信念。

經過兩次世界大戰的榮譽浸染和英語民族歷史敘事的洗腦，普通美國人下意識地將美國的科技優勢視為理所當然，是西方文明內在優越性的自發體現，也是不容下等民族玷汙的英語民族榮譽象徵。80年代日本在半導體領域的技術能力，強力衝擊著普通美國公眾的自豪感與自信心，也被視為對美國人的一種主動侵略和冒犯。

打入美國市場的日本電氣SX-2超級計算機。

面對高科技產業的東方競爭者，美國一方面加強了對相關領域的投資，在新技術與新應用上確立領導地位；另一方面則使出令人眼熟的"盤外招"操作，利用話語權優勢對日本高技術產業發展進行醜化，將其競爭力解構為商業間諜、政府保護與補貼傾銷的組合，從而為美國的任何回應都鍍上了一層「正義性」。

在聯邦政府的"勸告"下，包括麻省理工在內的多家美國用戶取消了對日本超算的購買意向，同時，通過連續十餘年、前後三次美日半導體協議的籤署，直接為日本規定了越來越苛刻的半導體市場指令性計劃，日本廠商不得逾越劃定的範圍，並確保美國廠商享有指定的日本國內市場份額。

歷時十餘年終於被「制服」的日本半導體產業。

通過這一系列「內外兼修」的操作，特別是得益於在美國率先實現的家用電腦和網際網路技術產業化，美國最終成功瓦解了日本半導體產業的上升勢頭，重新獲得在這一領域的領導力。

隨著產業基礎的縮水，日本超算在全球排行榜上也出現了明顯下滑，對美國不再具有威脅性。

不過美國人的「安全感」並沒有持續多久，另一個來自東方的挑戰者很快出現了。

2

算力不足恐懼症

以中國原子彈研製為主題的電影《橫空出世》中有這樣一個片段，為了完成原子彈原理與數據驗證，數百位知識分子齊聚一堂，一邊啃著饅頭鹹菜，一邊聚精會神撥打算盤，在霍斯特《行星組曲》的伴奏下，形成一幅雋永而又雄渾的歷史畫面。

《橫空出世》中算盤大會戰的場景。

珠算突破原子彈計算難題是一種藝術表現，取材於1960年前後持續一年多的原子彈攻關「九次計算」階段。不過，在真實歷史中，原子彈研製集中了當時全國最好的保障條件，除了手搖計算機、計算尺等更現代的輔助工具，電子計算機也已經開始發揮核心作用。

中國電子計算機事業，在「以任務帶學科」的戰略思想指導下，從一開始就與原子彈工程有著密切聯繫。影片設置這一強烈的對比，更多用意在於表現中國人無懼困難的民族性格，但也確實體現出當時國內計算能力相比國外的巨大差距。

1959年，中國第一臺大型電子計算機，仿製蘇聯БЭСМ-Ⅱ的104機試製成功，並立即應用於原子彈相關研製工作，這臺計算機每秒可完成1萬次浮點運算。作為對比，同期被公認的超級計算機鼻祖，IBM公司為美國原子彈研發機構—勞倫斯利弗莫爾國家實驗室開發的7030機，浮點運算性能約為每秒60萬次。

IBM 7030,歷史上最早的超級計算機，僅生產過9臺。

對於IBM 7030這臺橫空出世的超級計算機，中國人也曾嘗試購買。60年代中法正式建交後，中方曾經通過法國代理公司，尋求購置這臺當時定價700多萬美元的「國之重器」，但在巴統的限制下最終夭折。

超級計算機，對於此時的中國人而言，還是遙不可及的夢想。

原子彈的攻關不等人。

怎麼辦？拼命硬幹！

1965年9月，第九研究院理論部副主任于敏帶領幾十位研究人員趕赴上海，利用當時華東計算所剛剛研製成功的J501電子計算機開展突破氫彈原理的會戰，這臺設備運算速度約為每秒5萬次，已經是當時國內性能最強的計算機。

在突破氫彈原理中居功至偉的J501大型計算機。

于敏團隊廢寢忘食，日以繼夜地開展工作，一邊推敲氫彈理論模型，一邊通過計算機同步試算驗證，通過持續三個多月的高強度攻關，在華東計算所成功完成了氫彈「于敏構型」的理論方案。此即中國兩彈研製中裡程碑意義的「百日會戰」。

得知氫彈原理突破的喜訊，理論部部長鄧稼先第二天就飛到上海，自己掏錢請大家吃了一頓螃蟹宴。

氫彈原理突破17個月之後，1967年6月17日，中國成功進行了氫彈試驗，標誌著中國人完全掌握了第一代核武器技術。

但是，進入70年代，核武器研究團隊得出了嚴酷的結論：「沒有運算速度達每秒一億次以上的計算機系統，就搞不出第二代核武器」。技術發展的新要求與現實保障條件的差距，已經到了非彌補不可的程度。

1976年末，即將卸任的美國總統福特意外籤發了兩臺CDC公司的Cyber172型入門級超算對華出口許可，用於中國石油地質勘探部門的數據處理，以此表達對中國的善意。中國第一次有了接近世界水平的高速計算設備。

然而，為了防止中方將超算用於其他領域，美方對這兩臺設備的性能做了降級處理，並設置了嚴苛的條件：機房鑰匙由美方人員掌管，上機需要美方人員審核監督。這就是在中國超級計算機發展史上令人胸中酸楚的「玻璃房」故事。

Cyber-172超算。

在引進Cyber172的嘗試後，中方又趁熱打鐵，與日立公司達成協議，購入3臺日立M系列大型計算機用於氣象預報工作，1978年2月，卡特政府批准這一出口申請，但是仍然比照Cyber172的做法，要求日方在對華出口版本上大幅降低性能，在出口的前三年安排日方人員值守機房，中方的上機操作內容必須向日立公司總部提交匯總報告。

旁人的冷眼與嘲笑是前進的動力，在一而再的刺激下，中國人深刻意識到買現成的、一步到位是不切實際的幻想，自力更生是唯一出路。

1987年，印度總理拉吉夫甘地試圖向「好友」裡根求購Cray X-MP超級計算機，被直截了當地以可被軍用為由謝絕。

3

「中國要搞四個現代化，不能沒有巨型機！」

1978年3月，中央軍委主席鄧小平親自主持了巨型計算機研製工作會議，下定決心研製中國人自己的超算，以解決國防建設等領域緊迫的大型科學計算問題。他對參會人員表示：「中國要搞四個現代化，不能沒有巨型機」。鄧小平還直接點將時任國防科委主任張愛萍：「現在巨型機就斷給你了，你要立軍令狀」。

1978年5月，國防科委在北京召開巨型機方案論證和協作會議，決定由脫胎自哈軍工的國防科技大學承擔巨型機研製任務。中國超級計算機的研發正式展開。

超級計算機（巨型機）規劃性能為每秒1億次浮點運算，比中國此前研製過的最先進計算機還要快一百倍，技術跨度如此之大的研製任務在計算機發展史上是極為罕見的。

要完成這樣艱巨的任務，需要高超的項目管理方法。在總指揮慈雲桂教授的帶領下，研發團隊選擇了當時世界第一超算，美國的Cray-1作為總體架構參考；確定頂層架構後，再自上而下拆解部件、材料和設備需求，國內有的就國內配套，國內目前無法配套的，也不盲目攻關拉長戰線，而是果斷利用零部件進口的較寬鬆條件直接引進。

銀河億次機對同時期CRAY-1超算構型有明顯借鑑。

據項目參與人員回憶：「以前的存儲器是磁芯的，做起來很難，弄起來也很慢，國際上已經有半導體的東西了，做到集成電路裡面一塊，一塊裡面就很大的容量，我們採取引進的思路，用了半導體存儲器，這是利用了改革開放的優勢。」

這一首先聚焦總體、快速突破集成創新關口的風格，已經頗類似於新世紀以來大行其道的「跳起」「下蹲」中國式科研方法論。

得益於正確的戰略和得力的執行，巨型機項目僅僅歷時五年就完成研製任務，較原定規劃提前了整整一年，性能完全達到設計要求，研製費用也大大低於按照進口超算報價所估計的預算，不到原先預計的五分之一，為國家節省了大量經費。

1983年12月26日，中國第一臺億次超級計算機通過國家技術鑑定，張愛萍上將將其命名為「銀河一號」，這標誌著中國成為繼美國、日本之後，第三個能獨立設計和製造超級計算機的國家。

張愛萍親自為銀河巨型機工程題詩:「億萬星辰匯銀河，世人難知有幾多。神機妙算巧安排，笑向繁星任高歌。」

1987年，銀河一號超算獲得國家科技進步特等獎，同時獲獎的還有氫彈小型化工程。

中國人在巨型機項目中交出了完美的答卷，銀河一號也成為80年代科學的春天主要象徵，在80年代與兩彈、人工合成胰島素、雜交水稻、同步軌道衛星共同被列為新中國五大科技成就。

IBM公司ASCI WHITE超級計算機，在2002年首次實現了完整的三維核爆炸數值仿真，單次仿真耗時122天。

在銀河一號之後，國防科大又相繼完成銀河二號、三號、四號、五號超算的研製，實現了運算性能從每秒億次到十億次，百億次、萬億次、十萬億次的突破。特別是鮮為人知的銀河五號（銀河-V），計算性能與當時美國最強的超級計算機，用於完整仿真核試驗的ASCI White機組已經處於同一數量級，保障了中國核心國防科學計算任務的實現。

銀河系列超算的迭代和打磨，也為即將到來的「跳躍」積蓄了足夠的力量。

2009年，國防科大正式對外公開了新一代千萬億次級超級計算機。由於引入了天津的投資，將面向民用領域開放服務。這臺原有規劃中的第六代銀河超算，在「天津」與「銀河」中各取一字，演變為全新的「天河」系列主機。

新的天河超算甫一公布就令世界震動，天河一號的峰值性能達到每秒1206萬億次浮點運算，使中國成為美國之後、全球第二個能夠製造千萬億次超算的國家。這是中國第一臺進入世界超算排行榜TOP500前十位的平臺。

一年之後，天河一號再次創造了歷史。在天津國家超級計算中心完成安裝的天河一號改進型天河-1A（或稱天河一號的「完全版」），以峰值性能每秒4700萬億次、持續性能每秒2507萬億次的數據超越美國橡樹嶺國家實驗室的美洲豹（Jaguar）超級計算機，第一次登頂世界超算TOP500排行榜。

儘管天河一號很快被其後新發布的日本超算擠下榜首，世界第一的位置僅僅維持了半年，但已經打開了中國人的眼界與自信。2011年，在科技部的支持下，天河二號超算工程正式上馬，國防科大團隊這次還與商用伺服器領域卓有建樹的浪潮集團強強聯合，將天河二號性能指標直接釘在了超算技術前沿的「無人區」。

巨大的算力往往伴隨著巨大的能耗，天河二號的滿負荷運轉功率近24兆瓦，相當於一個兩萬人規模的大型居民小區高峰用電負荷，在研發天河二號的兩年時間裡，國防科技大學的師生們習慣了校園經常性的停電，哪怕在四大火爐之一長沙的盛夏，一旦天河二號開機高速運轉，全校其他線路就會臨時停電。

2013年6月，天河二號超級計算機正式亮相，其峰值性能每秒5.49億億次、持續性能每秒3.38億億次的表現，甩開第二名美國橡樹嶺國家實驗室的「泰坦」超級計算機接近一倍，毫無爭議地成為世界超算TOP500排行榜王者。由於它性能太過領先，成為過去12年裡佔據TOP500榜首位置時間最長的超級計算機。

天河二號的「破防」式表現，吹響了中國超算產業大幹快上的號角。

對此，美國人的反應非常直接和「本色」。2015年4月，就在天河二號「改進版」試圖將計算性能再次翻番的前夕，美國商務部發布公告，決定禁止向中國4家超算機構（國家超級計算長沙中心、廣州中心、天津中心和國防科技大學）出售英特爾晶片。

這恰好是當時國內天河計算機的四個使用單位，在美國商務部公告中，這一禁運決定理由是國防科大超算被用在了模擬核試驗領域，對美國國家安全構成威脅。

4

中國超算成功「登頂」

然而，這次對天河超算研製力量看似周密的「定點清除」式打擊，並沒有起到美國人預想的作用。2016年6月，天河二號超算失去了超算排行榜王座，接替它的卻仍然是一臺中國超算——神威·太湖之光。

這臺新機的持續運算性能達到每秒9.3億億次，是天河二號的三倍。在性能提升的同時，太湖之光的峰值功率較天河二號則低了將近10兆瓦，使這臺超算的能效也進入全球前列。

更重要的是，神威·太湖之光沒有使用美國CPU、GPU部件，而是使用自主智慧財產權的SW26010處理器。美國的制裁長臂已經「鞭長莫及」。

更有裡程碑意義的是，中國超算產業化的「大幹快上」，改變了TOP500超算榜單的整體面貌。神威·太湖之光接力天河二號的同時，TOP500超算榜單上榜的中國超算一共達到了167臺，超過了美國的165臺。此前，全球沒有任何一個國家取得過如此成就，即便是日本，在其半導體產業的巔峰時期，美國依然佔據著超算版圖上的絕對份額。

上榜的這167臺中國超算，已經幾乎是清一色的國產品牌，而僅僅在10年前，中國市售高性能計算機的大部分份額還屬於惠普、IBM等國外廠商。

榜單上標註的中國超算還不是產業影響力的全部，在媒體聚光燈之外，中國廠商在國際超算市場上，也已經不經意間建立了絕對競爭力。以目前最新的2020年6月TOP500榜單為例，安裝地在中國的超算達到226套，美國以114套的懸殊差距排名第二。如果進一步統計各國超算的生產地，則僅僅三家中國廠商（聯想、浪潮、曙光）就製造了榜單上超過60%的超算設備。

中國超算產業在全球市場已經建立起了統治性份額，這種產業版圖翻天覆地的變化，比榜首位置的爭奪影響更為深遠。

中國人一旦突破了關鍵技術的制約，艱苦歲月形成的「算力不足恐懼症」就好像要在一代人裡找補回來，不把超算「白菜化」不罷休。

TOP500超算排行榜國別變化。

2020年11月23日，國家超級計算鄭州中心通過驗收，正式啟用，成為繼天津、長沙、深圳、濟南、廣州、無錫之後第7家國家超級計算中心，配備了峰值性能每秒10億億次的中科曙光超算。

超級計算中心為什麼遍地開花？超算又有著什麼樣的實用價值？

高科技領域毫無疑問是超算發揮的理想舞臺，傳統工程發展流程裡，試製與試驗往往成為創新的「死亡之谷」。高風險、高難度、高成本的驗證測試環節，往往一兩次失敗就會打斷一個技術領域的發展步調，而通過在計算機數字環境中的大量模擬和仿真，可以極大壓縮真實物理環境下的試驗開發周期。

美國在高超音速領域的虎頭蛇尾和中國「東風快遞」突飛猛進的發展，某種程度上可以歸因於數字仿真等低成本實驗手段的差異，超級計算機在其中默默發揮著關鍵作用。

神威·太湖之光超算完成的高超音速飛行器流體力學算例。

如果說尖端武器離我們的日常生活還太遠，那麼在柴米油鹽的日常生活裡，超算同樣發揮著不可或缺的支撐作用。

在今年的新冠肺炎疫情中，「老藥新用」成為研究熱點，即在已經上市的藥物裡挖掘可對新冠肺炎產生療效的品種。要實現這一目標，當然不是靠神農嘗百草，而是在虛擬環境中進行藥物化合物結構的仿真測試，模擬其針對病毒結構特定靶點的反應效果。如果使用普通電腦進行類似的藥物篩查，可能需要數月乃至數年時間，而利用超級計算機，可能只需要短短幾天。

中國動畫電影在近年來異軍突起，成為國產類型片中整體最為突出的一個板塊，直追國際水平的動畫特效質量居功至偉，而超級計算機在動畫工業中同樣發揮著巨大作用，是特效渲染的利器。

5

「親愛的，這次真的到頭了」？

在《三體》第二部《黑暗森林》中，大劉借面壁人希恩斯的劇情，推演了超級計算機的未來發展。他對當紅的量子計算、生物計算概念表達了悲觀看法，反而設想通過用一千億個微處理器一對一模擬人類大腦的神經元，再將如此大規模的模擬神經元聯網，實現不可思議的性能跨越，在智子鎖死了基本物理知識，摩爾定律又接近失效的情況下，強行壓榨出傳統計算機的最後一些潛力，創造出一個可以模擬人類大腦宏觀活動，性能超越現有超算一萬倍的超級計算機。

在感慨這一奇蹟的同時，希恩斯的伴侶兼破壁人山杉惠子一邊感慨「能從摩爾定律這個檸檬裡又榨出這麼多汁來」，一邊哀嘆電子計算機已經發展到了進無可進的絕處，「親愛的，這次真的到頭了。」

未來真的會是這樣一幅圖景麼？

今天，TOP500超算排行的榜首位置是日本製造的富嶽（Fugaku），通過採用ARM架構處理器的低功耗優勢，實現更高密度CPU布置，其運算性能達到了每秒浮點運算44億億次。超算競賽的下一個目標是EFlops/E級機，即每秒百億億次運算性能的超算。

目前中國同時有至少三臺E級超算原型機進入測試，美國人同樣想要爭奪這一桂冠，在美國能源部主導下，目前也有三臺E級超算處於不同研製階段，TOP500榜首的爭奪在2021年將進入白熱化階段。

正在高速推進中的中國E級機項目之一。

向更遠的未來展望，不能不說，儘管各種悲觀的預期不絕於耳，例如矽基半導體是否發展到了物理極限，可憐的摩爾定律年關難過年年過......但作為集成平臺的超級計算機，仍然還有著巨大的性能增長空間。

劉慈欣所設想的「一萬倍」性能增長完全有可能實現，除了CPU本身的製程和架構進步，並行計算的算法、電源與製冷技術，乃至低延時網絡的發展，都會為超算總體性能釋放出新的增長餘地。

在這個新的漸進創新競賽中，中國企業已經展現出了令人眼前一亮的創新能力。例如阿里雲計算提出的所謂超算伺服器（HaaS）概念，利用低時延寬帶網絡使用戶遠程實現算力的組網，大劉的千億CPU互聯已經並非純然的科學幻想。

作者 | 李沛

本文轉載自微信公眾號「科工力量」（ID：guanchacaijing），原文首發於2020年12月2日，原標題為《冷眼與嘲笑中，中國超算起步了》，不代表瞭望智庫觀點。

原標題：《量子計算機「九章」問世，還記得中國超算起步時遭受的冷眼與嘲笑嗎？》

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