陳曉玲,劉 楊,全志薇,毛 剛,2,羅天琪

(1.吉林省科學(xué)技術(shù)信息研究所 信息資源中心,長春130000;2.吉林大學(xué) 商學(xué)院,長春130012)

0 引 言

由于5G、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能等新一代信息通信進(jìn)入應(yīng)用爆發(fā)階段,根據(jù)中國信息通信研究院測算,“十三五”時期,我國數(shù)字經(jīng)濟(jì)年均增長16.6%,對GDP增長貢獻(xiàn)率超67%[1-3]。未來“十四五”期間,隨著算力和算法的不斷提升,在一定程度上將增強(qiáng)數(shù)據(jù)資源的價值能力和經(jīng)濟(jì)效益[4-6]。隨著數(shù)據(jù)的激增,需要與之匹配的算力技術(shù),才能體現(xiàn)數(shù)據(jù)治理能力的核心,多年來全球在算力技術(shù)領(lǐng)域開展了很多科研投入[7]。為貫徹落實(shí)“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要提出的“加快數(shù)字化發(fā)展建設(shè)數(shù)字中國”,筆者查閱相關(guān)文獻(xiàn),在全球科研數(shù)據(jù)庫進(jìn)行相關(guān)主題詞檢索,對國際算力技術(shù)領(lǐng)域科研項(xiàng)目數(shù)據(jù)集進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析,挖掘出國際科研投入的國家分布、資助機(jī)構(gòu)、主持機(jī)構(gòu)、優(yōu)勢學(xué)科等的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢,為全面推進(jìn)算力項(xiàng)目的可持繼續(xù)發(fā)展具有重要的借鑒作用。

1 研究對象與方法

數(shù)據(jù)來源于全球科研項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(http:∥project.llas.ac.cn/),項(xiàng)目信息反映了各國的科技部署、科研實(shí)力、研究重點(diǎn)的變化和科技創(chuàng)新的軌跡[8-10]。為保證研究對象的精確性和完整性,參考國內(nèi)外相關(guān)的研究文獻(xiàn),最終確定檢索策略是項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫中標(biāo)題和摘要包含以下檢索詞的數(shù)據(jù),超級計(jì)算OR智慧計(jì)算OR計(jì)算中心OR算力OR計(jì)算能力OR計(jì)算力OR數(shù)據(jù)計(jì)算OR計(jì)算服務(wù)OR超算中心OR計(jì)算效率OR通用計(jì)算力ORAI計(jì)算OR云計(jì)算滲透度OR虛擬化滲透度ORCPU利用率OR內(nèi)存利用率OR存儲利用率OR科學(xué)計(jì)算OR終端計(jì)算OR計(jì)算力指數(shù)OR邊緣計(jì)算OR量子計(jì)算OR supercomputing OR super computing OR smart computing OR computing center OR calculation power OR computing power OR data calculation OR compute service OR computing service OR computational services OR calculation power OR computing force OR capacity of calculation OR computing efficiency OR computational efficiency OR penetration of cloud computing OR virtualization penetration OR CPU utilization OR memory utilization OR computational power OR edge computing OR quantum computer OR scientific computing OR scientific Computation OR terminal computing,年度范圍設(shè)置為2011-2020年(檢索日期為2020年4月15日),共檢索到相關(guān)項(xiàng)目數(shù)據(jù)6 004條。研究方法以全球科研項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫提供的數(shù)據(jù)分析為主,輔以Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算、參數(shù)設(shè)置,進(jìn)而分析算力技術(shù)發(fā)展的前沿和態(tài)勢,為數(shù)據(jù)經(jīng)濟(jì)下算力發(fā)展提供研究思路和理論支撐[11-15]。

2 國際算力科研項(xiàng)目發(fā)展趨勢分析

2.1 總體趨勢分析

從科研項(xiàng)目資助年度分布(見圖1)可以看出,算力技術(shù)領(lǐng)域的科研項(xiàng)目數(shù)按資助年度呈波動分布,2011-2015年“十二五”期間科研立項(xiàng)呈快速上升趨勢,在2015年達(dá)到了近十年的峰值815項(xiàng);自2016年“十三五”期間呈緩慢下降趨勢,科研項(xiàng)目數(shù)維持在500~700之間,2019年項(xiàng)目數(shù)最低488項(xiàng)?；诮?0年的發(fā)展趨勢,可以預(yù)計(jì),“十四”五期間科研項(xiàng)目呈回緩上升的趨勢。

圖1 國際算力技術(shù)領(lǐng)域項(xiàng)目資助年度分布圖Fig.1 Annual distribution chart of international computing technology project support

2.2 主要參與國家地區(qū)分析

算力技術(shù)領(lǐng)域的科研項(xiàng)目數(shù)按所屬國家地區(qū)劃分(見圖2),排名前3的主要參與國家地區(qū)是美國、中國和歐盟,美國的科研項(xiàng)目數(shù)最多有3 285項(xiàng),占比達(dá)到54.71%,遙遙領(lǐng)先于其他國家,雖然我國科研項(xiàng)目數(shù)以1 537項(xiàng)位列第2,但占比僅為25.60%,與美國還有明顯差距。國際算力技術(shù)領(lǐng)域項(xiàng)目主要參與國家的項(xiàng)目數(shù)排名依次如下:美國、中國、歐盟、巴西、德國、英國、瑞士、俄羅斯、法國及澳大利亞。

圖2 國際算力技術(shù)領(lǐng)域項(xiàng)目主要參與國家分布圖Fig.2 Distribution of major participating countries in international computing technology projects

美國的算力技術(shù)領(lǐng)域科研項(xiàng)目從2011-2020年項(xiàng)目數(shù)分別為278、312、268、332、335、356、421、399、322、262項(xiàng);項(xiàng)目主要資助機(jī)構(gòu)是美國的國家科學(xué)基金會(US-NSF)2 783項(xiàng)、國家衛(wèi)生研究院(USNIH)321項(xiàng)、能源部(US-DOE)168項(xiàng);項(xiàng)目優(yōu)勢學(xué)科是信息科學(xué)1 505項(xiàng),占比達(dá)到45.81%;主要主持機(jī)構(gòu)是美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校(University of Illionis at Urbana-Champaign)89項(xiàng)和德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校(University of Texas at Austin)78項(xiàng)。

2.3 主要資助機(jī)構(gòu)分析

算力技術(shù)領(lǐng)域的科研項(xiàng)目數(shù)按資助機(jī)構(gòu)劃分(見表1),美國國家科學(xué)基金會和我國國家自然科學(xué)基金會的資助項(xiàng)目數(shù)最多,共4 250項(xiàng),占總項(xiàng)目數(shù)的70.79%,其中我國國家自然科學(xué)基金和廣東省科技計(jì)劃共資助1 495項(xiàng),占總項(xiàng)目數(shù)的24.90%。從主要資助機(jī)構(gòu)的所屬國家可以看出,英國資助機(jī)構(gòu)最多,有4個資助機(jī)構(gòu)即工程與自然科學(xué)研究理事會(UK-EPSRC)35項(xiàng)、“創(chuàng)新英國”項(xiàng)目(UK-InnovateUK)25項(xiàng)、生物技術(shù)與生命科學(xué)研究理事會(UK-BBSRC)12項(xiàng)和經(jīng)濟(jì)與社會研究理事會(UK-ESRC)12項(xiàng),其次美國有3個資助機(jī)構(gòu)即國家科學(xué)基金會(US-NSF)2783項(xiàng)、國家衛(wèi)生研究院(US-NIH)321項(xiàng)和能源部(US-DOE)168項(xiàng)。

表1 國際算力技術(shù)領(lǐng)域項(xiàng)目主要資助機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistics of major funding institutions for International computing technology projects

2.4 主要主持機(jī)構(gòu)分析

算力技術(shù)領(lǐng)域的科研項(xiàng)目數(shù)按主持機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)(見表2),排名前20的主要主持機(jī)構(gòu)有18所機(jī)構(gòu)是美國的高等院校和科研機(jī)構(gòu),共主持科研項(xiàng)目834項(xiàng),占總項(xiàng)目數(shù)13.90%,我國有2所高等院校清華大學(xué)和中山大學(xué),共主持科研項(xiàng)目92項(xiàng)。

表2 國際算力技術(shù)領(lǐng)域項(xiàng)目主要主持機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistical table of main host organizations of international computing technology projects

(續(xù)表2)

2.5 優(yōu)勢學(xué)科主題分析

算力技術(shù)領(lǐng)域的科研項(xiàng)目數(shù)按學(xué)科主題統(tǒng)計(jì)(見圖3),優(yōu)勢學(xué)科主題是信息科學(xué)的項(xiàng)目數(shù)最多2 413項(xiàng),占總項(xiàng)目數(shù)的40.19%,工程與技術(shù)、數(shù)學(xué)的項(xiàng)目數(shù)也都超過了600項(xiàng)。美國在信息科學(xué)1 505項(xiàng)、工程與技術(shù)424項(xiàng)、醫(yī)學(xué)科學(xué)354項(xiàng)等領(lǐng)域的科研項(xiàng)目最多;中國在信息科學(xué)735項(xiàng)、數(shù)學(xué)199項(xiàng)、工程與技術(shù)170項(xiàng)等領(lǐng)域的科研項(xiàng)目最多。數(shù)據(jù)說明國際算力技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)勢學(xué)科主題集中在信息科學(xué)領(lǐng)域。

圖3 國際算力技術(shù)領(lǐng)域項(xiàng)目優(yōu)勢學(xué)科主題分布Fig.3 Topic distribution of dominant disciplines in international computing technology projects

3 我國算力技術(shù)領(lǐng)域科研項(xiàng)目發(fā)展方向分析

通過分析科研項(xiàng)目中項(xiàng)目國別(PC)字段(見圖4),共獲得中國科研項(xiàng)目1 537項(xiàng),其中2015年項(xiàng)目數(shù)最多(358項(xiàng)),自2011-2016年的項(xiàng)目數(shù)量處于100~400項(xiàng)之間,自2017年之后出現(xiàn)斷崖式下降,2018開始緩慢上升,至2020年維持在79項(xiàng),我國算力技術(shù)領(lǐng)域科研項(xiàng)目與國際總體趨勢相同。數(shù)據(jù)說明:近10年算力技術(shù)領(lǐng)域的我國科研立項(xiàng)占國際科研立項(xiàng)的25.60%(1 537/6 004),約四分之一的比例。由于2015年人工智能在國內(nèi)的興起,發(fā)現(xiàn)人工智能的核心是算法、算力和數(shù)據(jù),有了強(qiáng)大的算力支撐,才能加快數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。其中2015年科研項(xiàng)目358項(xiàng)都是國家自然科學(xué)基金,優(yōu)勢學(xué)科為信息科學(xué),共195項(xiàng),位列前3的主持機(jī)構(gòu)是國防科技大學(xué)、清華大學(xué)和浙江大學(xué),分別獲得13項(xiàng)、11項(xiàng)和11項(xiàng)。

圖4 我國算力技術(shù)領(lǐng)域項(xiàng)目年度分布圖Fig.4 Annual distribution of China‘s computing technology projects

3.1 資助機(jī)構(gòu)

我國算力技術(shù)領(lǐng)域的科研項(xiàng)目資助機(jī)構(gòu)主要來自于國家和地方的自然科學(xué)基金支持,其中國家自然科學(xué)基金立項(xiàng)數(shù)最多(1 467項(xiàng)),占我國的95.45%(見表3),地方的資助機(jī)構(gòu)的項(xiàng)目59項(xiàng),僅占我國的3.84%。為進(jìn)一步分析國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的研究趨勢及熱點(diǎn),針對國家自然科學(xué)基金1 467項(xiàng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,2011-2010年分別資助立項(xiàng)為167、215、142、279、358、159、16、25、44、62項(xiàng);優(yōu)勢學(xué)科排名前4位是信息科學(xué)693項(xiàng)、數(shù)學(xué)199項(xiàng)、工程與技術(shù)165項(xiàng)和物理學(xué)101等;主要承擔(dān)機(jī)構(gòu)排名前5位是國防科技大學(xué)56項(xiàng)、清華大學(xué)55項(xiàng)、電子科技大學(xué)27項(xiàng)、浙江大學(xué)27項(xiàng)、中山大學(xué)27項(xiàng)等;從負(fù)責(zé)科研項(xiàng)目數(shù)量看出,浙江大學(xué)的王浩華承擔(dān)了4項(xiàng)、武漢大學(xué)的袁志勇承擔(dān)了3項(xiàng);華中科技大學(xué)的劉方明承擔(dān)了3項(xiàng)。

表3 我國算力技術(shù)領(lǐng)域項(xiàng)目主要資助機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Statistical table of main funding institutions in the field of computing power technology in China

3.2 主要機(jī)構(gòu)

為進(jìn)一步了解我國主要參與研究機(jī)構(gòu)實(shí)力,對我國項(xiàng)目主持機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)分析能揭示其研究競爭力(見表4、圖5),清華大學(xué)59項(xiàng)、中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)57項(xiàng)和中山大學(xué)33項(xiàng)具有較高的地位和影響力,在排名前15的主持機(jī)構(gòu)中除北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)據(jù)研究所、中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所2個科研院所外,有13個高等院校,是我國算力技術(shù)領(lǐng)域的科研核心中堅(jiān)力量。清華大學(xué)在2014年科研項(xiàng)目數(shù)17項(xiàng)最多,國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目立項(xiàng)55項(xiàng),在信息科學(xué)和工程與技術(shù)學(xué)科分別獲得29項(xiàng)和13項(xiàng),清華大學(xué)的桂良進(jìn)、李丹、翟季冬、金奇奐作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人都分別有科研項(xiàng)目2項(xiàng)。中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)在2011年和2015年科研項(xiàng)目數(shù)均為13項(xiàng)最多,國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目立項(xiàng)56項(xiàng),在信息科學(xué)獲得47項(xiàng),中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)的褚瑞作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人均有科研項(xiàng)目2項(xiàng)。從主要主持機(jī)構(gòu)所屬地區(qū)看,主要分布在北京142項(xiàng)、廣東54項(xiàng)、湖北46項(xiàng)和陜西44項(xiàng)。

表4 我國算力技術(shù)領(lǐng)域項(xiàng)目主要主持機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Statistical table of main host organizations in the field of computing power technology in China

圖5 我國算力技術(shù)領(lǐng)域項(xiàng)目主要主持機(jī)構(gòu)分布圖Fig.5 Distribution map of main project hosting organizations in the field of computing power technology in China

3.3 優(yōu)勢學(xué)科

通過對科研項(xiàng)目的學(xué)科主題統(tǒng)計(jì)分析(見圖6),能揭示我國科研項(xiàng)目資助研究中的學(xué)科分布特點(diǎn),發(fā)現(xiàn)我國的信息科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程與技術(shù)研究實(shí)力處于較高水平,與國際科研項(xiàng)目排名前三的學(xué)科一致。在信息科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程與技術(shù)學(xué)科技的科研立項(xiàng)占我國科研項(xiàng)目的71.83%。

圖6 我國算力技術(shù)領(lǐng)域項(xiàng)目優(yōu)勢學(xué)科主題分布Fig.6 Distribution chart of subject subject of project advantage in China‘s computing technology field

3.4 核心負(fù)責(zé)人

我國算力技術(shù)領(lǐng)域的科研項(xiàng)目負(fù)責(zé)人(見表5),其中北京6人、廣東4人、湖北3人等地區(qū)的科研團(tuán)隊(duì)最多。

表5 我國算力技術(shù)領(lǐng)域項(xiàng)目負(fù)責(zé)人統(tǒng)計(jì)表Tab.5 Statistics of project leaders in the field of computing power technology in China

1)浙江大學(xué)的王浩華主要開展了2012-2015年國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“超導(dǎo)量子器件中關(guān)于量子計(jì)算”、“電路量子電動力學(xué)和退相干的研究”、2013-2015年國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目“超導(dǎo)量子計(jì)算”、2025-2019年國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“適合容錯量子計(jì)算的高性能超導(dǎo)量子比特的研制與調(diào)控”、2018-2022年國家自然科學(xué)基金杰出青年科學(xué)基金“超導(dǎo)量子計(jì)算和量子模擬”,主要科研方向是關(guān)于量子計(jì)算和超導(dǎo)量子計(jì)算。

2)武漢大學(xué)的袁志勇主要為國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目2011年“虛擬腦垂體瘤手術(shù)仿真中的物理建模關(guān)鍵問題研究”、2013年“三維組織壓縮感知與交互式物理仿真方法研究”、2014-2017年“虛擬手術(shù)仿真中多模態(tài)耦合視觸覺反饋關(guān)鍵問題研究”。

3)中山大學(xué)的李綠周主要2012-2014年國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目“量子計(jì)算模型相關(guān)問題的研究”、2015-2018年國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“經(jīng)典-量子協(xié)同計(jì)算:形式化模型、計(jì)算復(fù)雜性與模型檢測”、2020年廣東省科技計(jì)劃自然科學(xué)基金杰出青年項(xiàng)目“量子計(jì)算模型與算法的研究”。

4)華中科技大學(xué)的劉方明主要科研項(xiàng)目為2012-2015年國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“停放車輛輔助的面向城市環(huán)境車載自組織網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的模型與算法研究”、2014-2017年國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“面向云計(jì)算性能保證的多租戶數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)帶寬分配與最優(yōu)性價比計(jì)價體系研究”、2018-2020年國家自然科學(xué)基金國際(地區(qū))合作與交流項(xiàng)目“邊緣計(jì)算基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)”。

4 結(jié) 語

基于全球科研項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫的科研立項(xiàng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析,國際和我國算力技術(shù)的科研投入對比分析發(fā)現(xiàn):1)在總體趨勢上,近10年算力技術(shù)的科研投入的立項(xiàng)數(shù)量國際和我國的總體趨勢保持一致,2011-2015年處于波動式上升趨勢,都是在2015年達(dá)到了峰值,2016-2017年出現(xiàn)快速下降,2018年以后出現(xiàn)回緩式上升;2)在國家分布上,美國、中國和歐盟是國際算力科研的主要參與國家;3)在資助機(jī)構(gòu)類型上,主要是以美國的國家科學(xué)基金會和我國國家自然科學(xué)基金為主,占比達(dá)70.79%,說明美國和我國在國家層自然科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃給予了高度的支撐和技術(shù)布局;4)在優(yōu)勢學(xué)科上,國際和我國的算力科研投入都是以信息科學(xué)學(xué)科領(lǐng)域?yàn)橹?其次重點(diǎn)學(xué)科領(lǐng)域?yàn)閿?shù)學(xué)、工程與技術(shù)、物理學(xué)等;5)美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校是主要研究機(jī)構(gòu);6)我國自2017年以后算力科研投入快速增長,清華大學(xué)、中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)和中山大學(xué)具有較高的學(xué)術(shù)影響力,北京地區(qū)擁有6個核心研究團(tuán)隊(duì),浙江大學(xué)的王浩華開展相關(guān)研究最多,其中主要科研方向是量子計(jì)算和超導(dǎo)量子計(jì)算。