Когда Лю Хэ, китайский экономист, политик и «царь чипов», был призван возглавить гонку вооружений по производству чипов с Соединенными Штатами, его послание повисло в воздухе, оставив после себя влажную глазурь напряжения: «За нашу страны, технологии нужны не только для роста… это вопрос выживания».
Когда-то раннее технологическое мастерство Соединенных Штатов позволяло стране опережать иностранных конкурентов и создавать конкурентные преимущества для отечественных предприятий. Тем не менее, 30 лет спустя лидерство Америки в области передовых вычислений продолжает ослабевать. Что случилось?
Новый отчет исследователя Массачусетского технологического института и двух его коллег проливает свет на снижение лидерства США. Ученые рассмотрели высокоуровневые меры для изучения сокращения: общие возможности, суперкомпьютеры, прикладные алгоритмы и производство полупроводников. В ходе своего анализа они обнаружили, что Китай не только сократил отставание в области вычислительной техники от США, но и почти 80% американских лидеров в этой области считают, что их китайские конкуренты быстрее совершенствуют свои возможности, что, по словам команды, предполагает «широкую угрозу». конкурентоспособности США».
Чтобы глубже вникнуть в суть дела, ученые провели опрос пользователей передовых вычислительных систем, в котором приняли участие 120 ведущих организаций, включая университеты, национальные лаборатории, федеральные агентства и промышленность. По оценкам команды, эта группа включает одну треть и половину всех наиболее значимых пользователей компьютеров в Соединенных Штатах.
«Передовые вычисления имеют решающее значение для научного совершенствования, экономического роста и конкурентоспособности американских компаний», — говорит Нил Томпсон, директор исследовательского проекта FutureTech в Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта (CSAIL) Массачусетского технологического института, который помогал руководить исследованием.
Томпсон, который также является главным исследователем Инициативы Массачусетского технологического института по цифровой экономике, написал документ вместе с Чадом Эвансом, исполнительным вице-президентом, секретарем и казначеем правления Совета по конкурентоспособности, и Дэниелом Армбрустом, который является соучредителем, первоначальный генеральный директор и член совета директоров Silicon Catalyst и бывший президент SEMATECH, полупроводникового консорциума, разработавшего отраслевые дорожные карты.
Золотое дно полупроводников, суперкомпьютеров и алгоритмов
Суперкомпьютеры — «гигантские калькуляторы» размером с комнату в мире аппаратного обеспечения — это отрасль, в которой Соединенные Штаты больше не доминируют. До 2015 года около половины самых мощных компьютеров прочно держались в США, а Китай медленно рос с очень медленной базы. Но за последние шесть лет Китай быстро догнал его, достигнув почти паритета с Америкой.
Это исчезающее лидерство имеет значение. Восемьдесят четыре процента респондентов опроса в США заявили, что у них ограничены вычислительные возможности при выполнении основных программ. «Этот результат был показательным, учитывая, кто наши респонденты: авангард американских исследовательских предприятий и академических институтов с привилегированным доступом к передовым национальным суперкомпьютерным ресурсам», — говорит Томпсон.
Что касается продвинутых алгоритмов, то исторически сложилось так, что США лидировали, и две трети всех значительных улучшений были созданы изобретателями, родившимися в США. Но в последние десятилетия доминирование США в области алгоритмов зависело от привлечения иностранных талантов для работы в США, что, по словам исследователей, сейчас находится под угрозой. Китай опередил США и многие другие страны в выпуске докторов наук в областях STEM с 2007 года, при этом в одном отчете постулируется недалекое будущее (2025 год), когда в Китае будет почти в два раза больше докторов наук, чем в США. Подъем алгоритмов в Китае также можно увидеть в «Премии Гордона Белла» — достижении за выдающуюся работу по использованию мощности суперкомпьютеров в различных приложениях. Победители из США исторически доминировали в призах, но теперь Китай сравнялся с американцами или даже превзошел их.
Хотя исследователи отмечают, что Закон о чипах и науке от 2022 года является важным шагом в восстановлении основ успеха передовых вычислений, они предлагают рекомендации Управлению научно-технической политики США.
Во-первых, они предлагают демократизировать доступ к суперкомпьютерам США за счет создания большего количества систем среднего уровня, которые раздвигают границы для многих пользователей, а также создания инструментов, позволяющих пользователям, увеличивающим масштабы вычислений, иметь меньше предварительных инвестиций в ресурсы. Они также рекомендуют увеличить число новаторов, финансируя обучение большего числа инженеров-электриков и специалистов по информатике с помощью долгосрочных поощрений и стипендий для проживания в США. Наконец, в дополнение к этой новой структуре ученые призывают использовать преимущества того, что уже существует, путем предоставления частному сектору доступа к экспериментам с высокопроизводительными вычислениями через сайты суперкомпьютеров в академических кругах и национальных лабораториях.
Все это и пакет чипсов
Усовершенствования вычислений зависят от постоянного увеличения плотности и производительности транзисторов, но создание надежных новых микросхем требует гармоничного сочетания дизайна и производства.
За последние шесть лет Китай не был известен как знаток заслуживающих внимания чипов. Фактически, за последние пять десятилетий США разработали большинство из них. Но это изменилось за последние шесть лет, когда Китай создал HiSilicon Kirin 9000, выйдя на международный уровень. Этот успех был достигнут в основном благодаря партнерским отношениям с ведущими мировыми разработчиками микросхем, которые начались в 2000-х годах. Теперь в Китае 14 компаний входят в число 50 лучших в мире дизайнеров без фабрик. Десять лет назад был только один.
Конкурентоспособное производство полупроводников было более смешанным, когда политика США и проблемы с внутренним исполнением замедлили рост Китая, но по состоянию на июль 2022 года Международная корпорация по производству полупроводников (SMIC) имеет доказательства 7-нанометровой логики, что ожидалось гораздо позже. Однако из-за экстремальных ограничений на экспорт ультрафиолета прогресс ниже 7 нм означает, что разработка отечественных технологий будет дорогостоящей. В настоящее время Китай находится на одном уровне или лучше только в двух из 12 сегментов цепочки поставок полупроводников. Тем не менее, благодаря государственной политике и инвестициям, команда ожидает колоссального увеличения до семи сегментов за 10 лет. Итак, на данный момент США сохраняют лидерство в производстве оборудования, но с меньшим преимуществом.
Авторы рекомендуют Управлению по научно-технической политике Белого дома работать с ключевыми национальными агентствами, такими как Министерство обороны США, Министерство энергетики США и Национальный научный фонд, для определения инициатив по созданию аппаратных и программных систем, необходимых для важные вычислительные парадигмы и рабочие нагрузки, критически важные для экономических целей и целей безопасности. «Очень важно, чтобы американские предприятия могли воспользоваться преимуществами более быстрых компьютеров, — говорит Томпсон. «Поскольку закон Мура замедляется, лучший способ сделать это — создать портфель специализированных чипов (или «ускорителей»), адаптированных к нашим потребностям».
Ученые также считают, что для того, чтобы возглавить вычислительную технику следующего поколения, необходимо решить четыре области. Во-первых, бросая большие вызовы Национальному центру полупроводниковых технологий в соответствии с законом CHIPS, исследователи и стартапы будут мотивированы инвестировать в исследования и разработки и изыскивать стартовый капитал для новых технологий в таких областях, как спинтроника, нейроморфология, оптические и квантовые вычисления, а также оптические технологии. соединительные ткани. Поддерживая союзников в принятии аналогичных актов, общие инвестиции в эти технологии увеличатся, а цепочки поставок станут более согласованными и безопасными. Создание испытательных стендов для исследователей, которые будут тестировать алгоритмы на новых вычислительных архитектурах и оборудовании, обеспечит необходимую платформу для инноваций и открытий.
«Ландшафт передовых вычислений находится в быстром изменении — в технологическом, экономическом и политическом плане, с новыми возможностями для инноваций и растущим глобальным соперничеством», — говорит Дэниел Рид, президентский профессор и профессор компьютерных наук, электротехники и вычислительной техники в Университете Юты. «Трансформационные идеи как глубокого обучения, так и вычислительного моделирования зависят как от продолжающихся достижений в области полупроводников, так и от их воплощения в передовых крупномасштабных вычислительных системах — гипермасштабных облаках и высокопроизводительных вычислительных системах. Хотя США исторически лидировали в мире как в передовых, полупроводников и высокопроизводительных вычислений, другие страны признали, что эти возможности являются неотъемлемой частью экономической конкурентоспособности и национальной безопасности 21-го века.
