我国信息科技领域主要短板问题及研发建议

2019年7月1日05:56:11我国信息科技领域主要短板问题及研发建议已关闭评论 5 views

唐川,田倩飞,张娟,徐婧. 我国信息科技领域主要短板问题及研发建议[J].世界科技研究与发展, doi:10.16507/j.issn.1006-6055.2019.06.006.

唐川,田倩飞,徐婧(中国科学院成都文献情报中心,中国科学院大学经济与管理学院图书情报与档案管理系)

张娟(中国科学院成都文献情报中心)

摘要:本文围绕信息科技的集成电路、操作系统和网络安全三大传统方向及量子计算、后量子密码和神经形态计算等颠覆性技术,深度剖析我国面临的诸多短板问题,分析国内外相关计划与重点。从夯实产业基础、布局新兴方向、打造操作系统生态系统、设立颠覆性技术重大计划等方面,对我国相关领域研究工作提出相应建议。

关键词:信息科技;颠覆性技术;短板问题;研发建议

doi:10.16507/j.issn.1006-6055.2019.06.006

2018年美国对中国发动贸易战,实质上是对中国高科技领域的打压与遏制,其重点又聚焦于关系国家经济和安全命脉的信息科技产业。我国经济发展进入新常态,面临传统要素优势减弱和国际竞争加剧双重压力,面临稳增长、促改革、调结构、惠民生、防风险等多重挑战,面临全球新一轮科技产业革命与我国经济转型、产业升级的历史交汇,亟需发挥信息科技覆盖面广、渗透性强、带动作用明显的优势,推进供给侧结构性改革,培育发展新动能,构筑国际竞争新优势。在国际竞争日益激烈的背景下,我国信息科技产业面临新的隐患,若不能及时弥补短板,恐将产生新的产业安全问题。对此,本文重点分析了我国信息科技产业在集成电路、操作系统、信息安全三大传统方向及量子计算、后量子密码和神经形态计算等颠覆性技术面临的短板和卡脖子问题。

1  我国信息科技产业面临诸多短板问题

1.1 集成电路:高端芯片及制造工艺等多处可被“卡脖子”

我国集成电路产业近年来有所进步,但“中兴事件”将长期隐藏在背后的诸多短板曝光于众,其中最为关键的几项问题包括:

1)高端芯片严重依赖进口。目前,我国芯片的自给率仅三成左右,年进口额高达2500亿美元。计算机系统中的微处理器(MPU)、通用电子系统中的现场可编程门阵列/可擦除可编辑逻辑器件(FPGA/EPLD)和数字信号处理(DSP)、通信装备中的嵌入式MPU和DSP、存储设备中的动态随机存取存储器(DRAM)和与非门闪存(Nand Flash)、显示及视频系统中的显卡驱动,国产芯片占有率极低。

2)先进工艺差距明显。我国集成电路制造工艺落后国际同行两三代,国内最先进企业刚实现在14纳米量产水平,而国际一流企业即将量产7纳米。

3)芯片设计关键能力匮缺。国内芯片设计业缺少关键性知识产权(IP)核的设计能力,缺乏自主定义设计流程的能力,系统级芯片(SoC)设计严重依赖第三方IP核;国内代工厂IP核供给不足,严重依赖具备成熟IP核的工艺资源,还不具备客户自有工具(COT)设计能力;全球三大电子设计自动化(EDA)软件巨头均来自美国,我国几乎所有芯片设计和制造企业都离不开它们。

4)配套设备与材料发展不足。制造芯片的三大设备光刻机、蚀刻机和薄膜沉积,国内仅中微半导体的介质蚀刻机达到了国际一流的7纳米水准。差距最大的是光刻机,荷兰阿斯麦(ASML)的极紫外(EUV)光刻机即将投入7纳米工艺,而国内最先进的量产水平是90纳米。其他设备,如离子注入机、抛光机、清洗机、氧化炉等,均与国际先进水平有较大差距。材料方面,日本是全球领先者。在制造芯片的19种主要材料中,日本有14种产量位居全球第一,总份额超过60%。全球近七成的硅晶圆产自日本,国内硅晶圆几乎是空白,8英寸国产率不足10%,12英寸全部依赖进口。

1.2 操作系统:几乎完全依赖国外产品

国外操作系统、虚拟化软件、数据库等重要基础软件的垄断或高份额控制对我国产生了多层面利害关系,导致我国信息产业发展、信息生态建设等均受制于人,主要体现在:

1)电脑与手机操作系统几乎完全依赖国外厂商。微软(Windows)、谷歌(Android)和苹果(iOS)已占据全球电脑与智能手机操作系统的垄断地位,并牢牢把持着整个信息技术产业链的顶端。我国电脑终端所使用的操作系统中(2018年4月至2019年4月),Windows占比高达87.44%,国内主流手机生产商均是在谷歌授权的Android系统上开发各自的操作系统。

2)服务器虚拟化、数据库等重要基础软件大幅落后国外厂商。VMware在我国服务器虚拟化市场中占据44.7%的份额,高居第一,我国厂商新华三和华为分别占16.2%和15.1%。Oracle在我国数据库市场的占有率超过50%,而我国数据库企业的品牌和产品技术与之相比都存在显著差距。

1.3 信息安全:缺乏主动防御权

在我国信息产业严重依赖国外集成电路、操作系统和基础软件的情况下,我国的信息安全缺乏主动防御权,主要体现在:

1)进口硬件的安全性无保障。长期以来,我国信息系统核心硬件依赖国外进口,而进口硬件的安全性始终潜藏着预留后门、植入间谍软件等难以发现的威胁,此外,在漏洞出现后的应对上也往往没有主动权。例如,2018年英特尔处理器存在的漏洞“熔断”(Meltdown)和“幽灵”(Spectre)曝光,使我国大量采用相关处理器的系统暴露在巨大风险之下,但对漏洞的修复依然需要依赖英特尔。

2)他国操作系统易被攻击。操作系统是信息系统的基础,与信息安全密切攸关,依赖他国操作系统则更容易成为攻击对象。“棱镜门”的资料显示,微软公司曾帮助美国国家安全局通过互联网窃取他国加密文件数据。2017年5月,勒索病毒WannaCry席卷全球,对我国Windows用户造成了巨大损失。而事实上,美国国家安全局早在之前就发现了Windows系统的“永恒之蓝”漏洞并利用该漏洞开发了黑客武器,WannaCry就是该武器的变种。

1.4 颠覆性技术:竞争暴露潜在短板

除了成熟行业的科技短板,还应重视未来可能实现的颠覆性技术,否则“卡脖子”问题将不断重演。目前,量子计算、后量子密码、神经形态计算等多项颠覆性技术正处于发展初期,各国竞争愈发激烈,我国已暴露若干不足之处,未来恐演化成致命短板,值得重视。

1.4.1 量子计算:缺乏战略高度和系统考虑,企业力量弱

量子计算一旦发展成熟并投入商用,将成为先进计算、大数据分析、人工智能等领域的有力工具,并为现行信息技术体系带来根本性变革。

美日等国已从战略高度系统地制定了量子计算研发规划。我国在量子计算领域虽已取得长足进步,但尚无国家层面的研发构架总体设计和统一部署,这也造成资源有限且配置不合理,投资渠道单一且不足,目前主要依赖政府科技部门支持,绝大部分研究力量仍集中在学术界。在相关专利布局以量子计算应用为主,而设计量子比特方案、量子硬件研发等“制高点”的专利很少,专利组合空间狭窄,加之我国半导体制造业基础薄弱,将导致我国在未来相关产业发展中处于被动位置,重大研究成果商业化时间延滞,甚至“起大早赶晚集”,丧失取得战略制高点的机会。

1.4.2 后量子密码及其标准化:未受重视

后量子密码是应对量子计算挑战的重要途径之一,其计算安全性据信可以抵御当前已知任何形式的量子攻击,还可以与当前网络系统实现较高程度的兼容。

目前各国后量子密码研究及其标准化工作都还处于起步阶段,我国在密码基础理论某些方面的研究做得很好,但在密码技术的应用水平方面与国外还有一定的差距。若我国在后量子密码学研究中依然轻视标准化工作,那么将在量子时代的密码研发和使用上失去控制权与话语权,进而影响国家安全和经济安全。

1.4.3 神经形态计算:缺乏重大计划支持

神经形态计算是一种新型的非冯•诺依曼计算模式,能够模拟人脑结构及其处理信息的模式,长远来看可为各种计算系统提供更为智能和低功耗的处理器,是后摩尔时代新型计算技术和未来人工智能的关键。

在美国国防高级研究计划局(DARPA)资助下,IBM于2014年发布神经形态计算芯片“真北”(TrueNorth),被《科学》杂志评为当年度十大科学突破之一;欧盟“人类大脑工程”也把神经形态计算列为六大研发重点之一。然而我国尚无国家级重大研发计划,仅少量相关研究得到支持。与领先的美国和欧洲相比,我国在规划布局、项目组织、技术成果转移转化等方面都存在较大差距,企业投入更是乏力。

2  国际相关计划及研发重点

我国信息科技产业与国际先进水平有相当差距,主要体现在核心技术仍受制于人,信息产业对外技术依存度高,先导性战略高技术布局仍较薄弱。补短板,要认识技术属性的时代内涵,遵循技术创新的规律,加强核心技术转化应用,用好国际创新资源。围绕信息科技领域的核心问题和争夺焦点,国际领先机构部署了诸多研发计划,其中不少具有代表性,值得我国在补短板过程中参考借鉴。

2.1 集成电路

1)电子复兴计划。美国DARPA在2017年6月启动的电子复兴计划(Electronics Resurgence Initiative,ERI),总投资22.5亿美元。拟在不进行缩放的前提下,确保电子性能的持续改进和提升,其技术重点包括:(1)开发用于电子设备的新材料:探索使用非常规电路元件而非更小的晶体管来大幅提高电路性能。着眼于在单个芯片上集成不同的半导体材料,研制结合了处理和存储功能的“粘性逻辑”(sticky logic)设备,以及垂直而非平面集成微系统组件。(2)开发将电子设备集成到复杂电路中的新体系结构:探索针对特定任务而优化的电路结构,例如能根据所支持的软件需求调整进行可重新配置的物理结构。(3)进行软硬件设计上的创新:重点开发用于快速设计和实现专用芯片的工具。新的设计工具和开放源代码设计范例应具有变革性,使用户能够快速便宜地为各种商业应用创建专用电路。

2)国际器件与系统技术蓝图。作为“国际半导体技术路线图”(ITRS)的继承者,2017年版的“国际器件与系统技术蓝图”(IRDS)指出了若干发展趋势:(1)鳍式场效应晶体管(FinFET)可为实现高性能逻辑应用持续微缩到2021年;在2019年以后,业界将开始转向环绕式闸极(GAA)晶体管,并可能转向需要垂直纳米线器件;到2024年GAA将在4/3nm节点完全取代FinFET,传统的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺至此终结;(2)高迁移率材料(如锗)有望使驱动电流提高一个数量级;(3)业界必须追寻3D集成技术,如堆栈与单片3D,以维持系统的性能与增加功率,同时保有成本优势。

3)半导体研究机遇:行业愿景与指南。美国半导体行业协会(SIA)和半导体研究公司(SRC)在其《半导体研究机遇:行业愿景与指南》(2017)报告中明确了半导体产业链的14个关键研究领域及其在未来十年的潜在研究主题,包括:先进材料、器件和封装;互联技术和架构;智能内存与存储;功率管理;传感器和通信系统;分布式计算和网络;认知计算;生物启发计算和存储;先进和非传统架构与算法;安全与隐私;设计工具、方法和测试;下一代制造范式;环境健康与安全的材料和工艺;新型测量与表征。

此外,IBM投入了30亿美元重点突破8大方向:7纳米及以下的硅技术、量子计算、神经形态计算、碳纳米管、III-V族半导体技术、低功耗晶体管、硅光子技术和石墨烯。

2.2 操作系统

由于电脑、智能手机的操作系统的竞争格局已难改变,近年针对操作系统的研究工作主要围绕新兴智能终端和硬件平台展开。2017年9月,美国NSF发布计算机与网络系统核心项目指南。其中,计算机系统研究方向终端支持的计算系统的变革性研究涉及从微型传感器和嵌入式计算机的大规模系统到多核架构和操作系统、移动和传感器系统以及仓库规模的云后端系统等。

面向虚拟现实,谷歌专门打造了虚拟现实设备定制版的Android操作系统,微软开发了Windows Holographic软件平台。针对深度学习和自动驾驶,谷歌开源了Tensorflow深度学习系统,百度开源了阿波罗自动驾驶软件平台。围绕物联网,各机构推出了数十种操作系统,分两条技术路线:一是嵌入式操作系统,主要有Google Brillo、华为LiteOS、微软Win10 IOT、苹果Embedded Apple iOS等;二是实时操作系统,主要有ARM Mbed OS、上海庆科MICO、Nucleus RTOS、WindRiver VxWorks、Green Hills Integrity等。

2.3 网络安全

美国网络与信息技术研发计划(NITRD)将网络安全与信息保障(CSIA)项目作为其八大战略性优先领域之一,目标是对计算机与网络系统可用性、完整性和保密性遭受的威胁进行检测、阻止、抵御、应对和恢复。该项目确立了促进变革性技术、奠定科学基础、研究影响最大化、加速实践转化等四大重点,其中促进变革性技术的研究主题包括:量身定制的可信空间、移动性目标、网络经济激励、安全设计。

美国国土安全部自2003年开始实施“爱因斯坦”计划,至今经历了三个阶段:“爱因斯坦1”,基于流量分析技术(DFI)来进行异常行为检测与总体趋势分析;“爱因斯坦2”,基于入侵检测系统(IDS)技术对TCP/IP通讯的数据包进行深度报文解析(DPI)分析,以发现恶意行为;“爱因斯坦3”,在政府机构中部署入侵防范系统,强调对每个政府机构的网络出口部署安全措施,形成自我保护系统,保护民用部门和联邦机构网络安全。

DARPA自2010年开始资助研究集成电路的完整性与可靠性(IRIS),其目标是获取集成电路的功能并明确该集成电路是否遭到了恶意篡改,同时从物理角度精确确定集成电路的有效寿命,最大程度地保障对国防系统至关重要的集成电路的可靠性。2015年启动的IRIS项目三期的目标则是研究晶体管和晶体管互连的老化机制,以创建预测模型,并测试如何精确和快速地断定具体的磨损机制,关注点是研究故障的物理机制、开发28nm与14nm IC快速降解模型,并可控地减少降解CMOS集成电路的时间。

2.4 颠覆性技术

2.4.1 量子计算

2018年,美国“国家量子计划法案”确定将实施10年期“国家量子行动计划”。此前,美国政府多个部门已分别开展了重点不同的研究项目:美国国防部设立的量子科学技术项目(NEQST)致力于开发新型量子比特、运行方式和环境;陆军研究实验室支持开发多站点、多节点、模块化的量子网络;情报高级研究计划局推出逻辑量子比特项目(LogiQ),旨在建立逻辑量子比特来克服现有多量子比特系统的局限;能源部支持量子模拟和量子计算核心研究项目,并大力支持试验台的开发。

日本的量子飞跃旗舰计划(2018)确立了3个重点技术方向:1)量子信息处理(量子模拟、量子计算机等)领域,以研发通用型量子计算机为目标,重点关注冷原子、分子体系,超导量子比特以及软件等基础研究主题;2)量子测量和传感器领域,重点关注固体量子传感器、光量子传感器,以及量子测量和传感器的基础技术等;3)下一代激光技术领域,重点关注阿秒级的极短脉冲激光和网络物理系统(CPS)型激光加工,以及高亮度高温原位测量技术和极限状态下光合物质的相互作用等基础研究主题。

欧盟的量子技术旗舰计划(2016)将量子通信、量子计算、量子模拟、量子传感/计量作为关键方向,同时关注工程/控制、软件/理论、教育/培训三个层面的研究与活动。英国则计划在2035年前逐步实现量子系统组件、量子原子钟、量子传感器、量子惯性传感器、量子通信、量子增强影像、量子计算等7项重要量子信息技术的商业化应用。

此外,量子计算展示的广阔前景促使谷歌、IBM、Intel、微软等众多IT巨头争相投入巨大的财力和人力开展相关研究。其中,IBM、谷歌选择了主流的超导回路方案,Intel在专注硅量子点技术的同时也进行超导回路方案开发,微软选择了拓扑量子计算,加拿大的D-Wave公司则开发了基于量子退火法的量子计算机。

2.4.2 后量子密码

美国国家标准与技术研究院(NIST)在2016年制定了后量子密码未来标准化时间表,希望在2020年左右公布后量子计算的密码学算法标准。2018年1月,日本信息通信研究机构开发出同时具备“抗量子性”和“通用性”的新型加密算法LOTUS,被NIST采用并作为量子计算机时代备选加密技术之一。新一轮的密码算法标准化博弈已经展开。

2.4.3 神经形态计算

欧盟人脑计划(HBP)旗舰计划将神经形态计算平台作为其6大核心ICT平台之一,致力于开发和提供神经形态软硬件原型,以催生一系列新型科学实验和产业应用。美国陆军研究实验室的中长期技术实施计划(2026-2030)目标就是实现包括神经形态计算在内的新型计算模式与硬件集成,并用于装备士兵。

3  对我国信息科技领域研究的建议

由于目前我国信息科技产业存在短板较多、问题积累较深、涉及面较广,需要科技界长期攻坚克难,并且与政府部门、产业机构、教育部门、投资者、用户等各方面保持紧密配合,才有望扭转局面。本文针对我国信息科技领域研究从4个方向上提出建议。

3.1 对集成电路研究的建议

针对集成电路领域的短板与发展趋势,需要夯实产业发展基础,补强技术短板,同时前瞻布局关键性新兴研究方向。

建议:1)开发面向领域专用芯片的高度自动化EDA工具,帮助用户快速地实现芯片设计;2)持续支持跨领域的光刻机、刻蚀机和薄膜沉积装备等关键装备研发,特别是应尽早启动极紫外光刻机(EUV)的研发;3)重点突破FinFET、GAA、高迁移率沟道、源漏应变工程等核心制造工艺;4)大力研究三维存储、三维计算等三维芯片技术,以及与之密切相关的穿透硅通孔、层减薄、晶圆键合、设计测试、多尺寸穿孔、静电保护等技术;5)针对未来重要应用领域研制专用芯片,在传统芯片领域被国外巨头垄断的情况下,重点攻关面向人工智能、区块链、边缘计算、物联网等未来重要应用领域的专用芯片;6)以开源、微核、模块化、开放性、可扩展等为指导思想开发IP核,研制并开源其开发工具;7)探索碳纳米管、石墨烯、量子计算、神经形态计算等新型材料与计算模式,推动颠覆性创新和突破。

3.2 对操作系统研究的建议

针对操作系统领域的短板与发展趋势,应抓住新兴硬件与平台的发展机遇,特别是针对每年新增数十亿台的智能终端,研制与之相匹配的软件平台,通过开源吸引用户,快速实现产品迭代,占据主流市场。

国产操作系统若要强大发展,必须要形成完整的生态系统,应积极整合软件开发者、芯片企业、终端企业、运营商等产业链上的各主体,构建起一个覆盖配件、终端、应用服务等诸多环节的完整生态圈。

3.3 对信息安全研究的建议

针对信息安全领域的短板与发展趋势,需要全力解决软硬件非自主可控情况下隐藏的一系列安全问题,同时关注未来可能形成优势的技术。

建议:1)针对现有信息系统开展可信网络与系统研究,重点关注集成电路安全性和可靠性、电子器件供应链硬件完整性防御、快速电路实现、软件缺陷快速发现、安全可信网络空间研究、网络空间防御可信基础、安全自动化、网络测试床等。2)针对新兴技术开展安全性研究,重点关注云计算、大数据、人工智能、虚拟现实等新兴技术的安全问题。3)建立安全漏洞信息共享机制及安全事件响应机制,整合来自政府、企业等网络威胁、漏洞和事件信息,规制安全漏洞的发掘、披露及出口等行为,明确特定目的下漏洞披露、攻击、非授权访问的行为边界。

3.4 对颠覆性技术研究的建议

针对颠覆性技术的现状与发展趋势,建议围绕颠覆性信息科技的发展态势开展战略研究,设立相关重大科技计划,持续支持颠覆性技术的创新和应用。

1)量子计算。应认真分析考量我国量子计算的研发和产业基础,积极探索量子比特构建的几项主流技术方案,并加大力度研究创新性量子算法,在现有基础上推广量子计算应用,同时针对量子比特构建、量子硬件研发和量子计算应用进行全面的专利布局,争取更多的专利“制高点”和组合空间,避免未来受制于人。

2)后量子密码。针对可能来临的量子计算时代,应加速我国后量子密码研发进程,大力开展密码基础理论研究,通过多方合作尤其是产业界的积极参与推动自主研发的后量子密码标准的国际化进程。

3)神经形态计算。围绕芯片设计与开发、忆阻器、单神经元计算等热点主题投入研发资源,促进计算机科学与脑科学和生命科学的融合研究,争取建立技术优势。

此外,还应当重视的颠覆性技术有超导计算、软件定义一切、虚拟现实(VR)/增强现实(AR)、边缘计算、区块链、卫星互联网等。

weinxin
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