计算技术自身原理、架构的不断演进是计算机产业持续发展的根本动力。近年来，量子计算、分子计算、DNA生物计算、神经网络计算等新型计算技术层出不穷，石墨烯材料更是对传统的以硅基半导体技术为支撑的计算机产业发起了强有力的挑战。

　　新型计算技术的演进路径、适用场景和产业化前景不尽相同，可能带来对现有计算机产业的改良，甚至颠覆。我国产业界应对此保持科学认识，积极应对，化风险为机遇。

　　传统计算技术面临体系困局

　　计算技术演进至今，计算机结构始终沿用冯·诺依曼架构，芯片设计方面延续电子管、晶体管、集成电路、超大规模集成电路的演进路线，半导体工艺制程也在近40年来一直遵循着摩尔定律，即集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍。

　　然而，随着云计算、大数据等商业模式的兴起以及互联网应用、人工智能应用场景的增多，传统的冯·诺依曼架构在自然语义分析、模式识别等非逻辑计算应用场合开始显得效率低下，特别是在对以大流量、低密度、低能耗、分布式为特征的大数据进行处理时尤甚。与此同时，国际半导体技术发展路线图的更新自2010年起逐渐放缓，英特尔公司内部对9纳米（硅晶体的理论限制数值）之后的工艺演进路径意见也尚未统一。由此可见，传统计算技术演进已步入“后摩尔定律时代”，体系性困局开始显现。

　　新型计算原理多路径演进。目前已知的新型计算技术，根据材料和机理的不同主要分为四种演进路径：一是传统硅基计算技术向神经网络计算、高效能计算领域延展。IBM最新研发出模拟人脑的新一代计算芯片“TrueNorth”，从硬件层面实现了百万神经元的处理结构，其运算速度、能耗在模式匹配、机器学习等特定运算场景下比通用芯片优化了3～４个数量级。二是生物DNA、石墨烯等碳基计算材料成为新的发展热点。以色列、日本、美国的大学已相继开发出用于基因诊断、生物信息存储，甚至可进行互动游戏的DNA生物计算机；韩国三星电子也于近日宣布在石墨烯材料晶体管制造方面取得突破。三是量子计算、光子计算等新型微粒子计算由幕后走向台前。加拿大D-Wave公司推出了128个量子位的量子计算机，并开始向512个量子位升级；美国马萨诸塞州一家光学技术公司正与美国航空航天局合作开发制造光学计算机的“光”路板。四是用于解决特殊计算应用的实验理论模型不断涌现。如用于“零能耗”计算的可逆计算机，用于观测分子作用的核磁共振计算机，以及用于解决“最短路径”问题的霉变计算机等。

　　新型计算原理的百花齐放，为解决传统计算技术遇到的瓶颈提供了多种可选方案。

　　先进国家积极抢位前沿计算布局。近年来，美国、欧盟积极调动政府、军队、高校、研究机构、企业等多方资源，加快了前沿计算技术、产品的研发产业化步伐。美国国家安全局2014年斥资近8000万美元用于密码破译量子计算机的研发；美国国防部先进研究项目局与IBM、哈佛机器人实验室合作，将于2016年完成100亿神经元规模类人脑计算机原型的开发；欧盟2013年启动了未来十年新兴技术旗舰工程，“人脑项目”（Human Brain Project）和石墨烯材料研究被确定为首批支持的两大项目，投资规模均超过10亿欧元。

　　产业颠覆式革命即将爆发

　　诸多新型计算演进路径中，硅基计算技术的产业基础最为成熟，生态系统最为完备，在可预见的20至30年间仍将作为主流的技术演进方向。因此，沿硅基半导体路径演进的神经网络技术、类人脑芯片对传统计算机产业有着更为现实的改良和补充意义。

　　这主要体现在两个方面。一是终端产品的智能化升级。高通已宣布即将推出业界首款用于移动终端的高能效神经元处理器Zeroth，苹果、谷歌、微软、三星等开发的新型感知计算技术也正加速向移动终端产品的普及迁移。终端智能化在提升用户对高科技感知体验、实现真正人机互动的同时，也将极大促进信息消费的发展。二是新兴市场的培育和价值挖掘。神经网络计算、高效能计算能有效弥补传统计算技术在非逻辑运算、分布式数据处理方面的应用短板，促进人工智能、机器人、大数据等新兴市场的发展，提升传统计算机产业的效益层次和价值空间。

　　新型计算远期或形成颠覆式革命。一方面，非硅基新型计算从原理上为计算机产业革命埋下伏笔。DNA芯片的大存储容量、高速并发处理和低功耗等特点令传统硅基计算机望尘莫及；量子计算中多维自旋态的引入将可能引发以“0”、“1”为基础的半导体二进制运算、存储方式的根本性变革；寻找类似石墨烯这样具有优异的电化学特性且“价廉物美”的硅替代材料，也为“后摩尔定律时代”的计算机产业发展提供了一种颠覆性思路。

　　另一方面，产业颠覆式革命的爆发仍需要一个长期积蓄的过程。非硅基计算技术目前大多数还停留在理论研究和实验室验证阶段，尚无成熟、通用、商业化的芯片或产品问世。例如，量子计算目前只在大质数分解、密码破译、保密通信等特殊应用场景具备优势，通用性不足，距离产业化应用还存在一定的距离；石墨烯要想真正替代硅材料尚需解决大面积低缺陷材料低温合成、能带隙开关控制、CMOS型场效应管制备等诸多难题，且产业生态培育也将是一个逐步的过程。

　　产业竞争格局“马太效应”或将加剧。一般来说，颠覆性技术的出现有望带来旧有产业体系的重塑和竞争格局的洗牌。我国在超前计算研究方面，起点较高，跟进较快，高性能计算机、量子通信等多个前沿领域的研究已位居世界前列，为产业的弯道超车迎来了潜在良机。然而，我们也应清醒看到，以美国为首的发达国家对于计算技术本身有着极为深刻的理解，其产业界对技术变革先觉先行的敏锐把握使得后发国家多年追赶形成的产业基础面临再次清零的风险，可能再度形成新的技术路径依赖和产业跟随态势。在国家层面，强者恒强的产业竞争格局仍将持续甚至加剧。

　　几点建议

　　一是科学认识，有节推进。从战略层面科学认识计算技术的发展方向，合理研判新型计算的产业化前景及发展阶段，制定高效能计算或前沿计算领域中长期发展规划，有区别、有重点、分步骤加以支持。同时，对现有技术和已成型产品加大应用推广力度，以应用促发展。

　　二是高端专用兼顾通用开发。既要专注于研发高性能、低能耗、高可靠性、高安全性的定制化专用处理器及整机产品，抢占产业制高点，又要兼顾通用民生市场的需求，推进通用芯片性能和适配性的不断完善，扩大国产整机产品的国际影响力和市场占有率。

　　三是构建“产学研用”协调发展的大产业生态系统。以应用需求为导向，开放和共享国家重点实验室、国家工程实验室、高性能计算机、数据中心等基础设施和资源为基础创新研发所用，同时加快推进前沿研究成果的产业转化。建立一批由企业、科研院所、行业组织、用户等共同参与的产业联盟，共同开展专利保护、标准制订和推广等工作，促进产业各创新主体、产业链各环节的良性互动。

　　作者单位：中国电子信息产业发展研究院