从古至今，人类生产力的发展史，从人力、畜力到将各类能源转化为动力来驱动机器，再到如今，以芯片和软件平台为主的计算能力，正日益成为经济社会发展的底座。算力时代，未来正来。

几周前在德国汉堡举办的2022国际超算大会上，发布了超级计算机Top500最新榜单，将这一全球科技前沿之争的白热化，再度展现人前——

首次入榜的美国超级计算机“前沿”位列榜首，这是全球首台运算能力达每秒100亿亿次浮点运算的超算。日本超级计算机“富岳”在连续两年蝉联榜首之后，被“前沿”超越降至第二位。中国共有173台超算上榜，上榜总数蝉联第一。从制造商维度看，中国联想是目前世界最大的超级计算机制造商。

与此同时，榜单显示，中美两国是上榜超算数量最多的两个国家，超算500强中有近2/3来自两国。

随着人类社会数字化进程推进，数据成为新的生产资料，算力便是新的生产力，新的产业革命席卷而来，算力无所不在。站在算力时代的新起点，全球科研竞争进入白热化阶段。

E级超算：谁将夺取“下一顶皇冠”

历史上的每一次重大变革，无一不伴随着现象级的技术突破。大规模种植技术的出现，使人类进入农业时代；蒸汽机和热武器的发明，使人类进入工业和大航海时代；计算机、互联网的诞生，使人类进入信息时代。信息时代和算力密不可分，由计算、存储、时延三要素表征的算力设施正推动人类通信水平向更高层级迈进。

近日发布的《大数据蓝皮书：中国大数据发展报告》显示，当前，新一轮科技创新给全球经济社会带来了新的变革，全球创新版图正在重构，数字创新以其先导性和强渗透性，成为数字经济时代国家提升竞争优势的重要动力源。数字竞争力强的国家的数字创新能力都不弱，如美国、中国的数字创新能力得分均超过12，韩国、日本、荷兰的数字创新能力得分均超过9。

中国在数字投资和数字基建方面具有优势，其中，高性能计算机快速发展，已达到国际先进水平。中国超级计算机数量占比高达42%。值得注意的是，中国去年拿到全球高性能应用领域最高奖“戈登·贝尔”奖。据了解，如果不是在世界最快超算上作出的成绩，是无法拿到该奖项的。

在最新发布的榜单中，美国超级计算机“前沿”是全球首台运算能力达每秒100亿亿次浮点运算的超算，也被称为E级超算，这一计算层级的超算技术，是国际上高端信息技术创新和竞争的制高点，被全世界公认为“超级计算机界的下一顶皇冠”。

业内对E级超算标准有着严格定义，要求以高精度Linpack基准测试作为其性能的衡量标准，这也是全球超算Top500榜单的参考基础。同时，E级超算的功耗还不能超过40MW。对于E级超算，业内认定分为三个层次：第一层是超算的运行峰值性能突破Exaflop/s；第二层是在Linpack基准实际测试中突破Exaflop/s；“前沿”实际已经达到这个层次；第三层的要求更高，在应用运用中的速度超过Exaflop/s。

除了美国和中国外，日本、欧洲和印度也都有研制E级超算的长期规划。为了向自然科学、社会科学更深层次领域探索，人类对于计算速度的追求永无止境。

以每天都能听到的天气播报为例，简单几句话背后，是观测与计算最前沿技术的深度融合。我国目前投入了6颗在轨业务运行气象卫星、120个高空观测站、236部新一代天气雷达以及10930个国家级地面气象站，用于看清大气的微妙变化。收集到的各类气象观测数据，被“喂”给超级计算机，计算出一个关于某种气象灾害发生可能性的数值。计算速度越快，对于复杂气象的预报精度也就越高。

与直接应用于计算领域相较，超级计算机在科研领域有更为重大的意义，在于对旧有科研范式的突破。

2007年，计算机科学家吉姆·格雷在演讲中提到科学研究的四个范式，即以描述自然现象为主的第一范式、针对关键变量进行演算的第二范式、通过计算机验证预判的第三范式、依靠计算机分析得到结论的第四范式。也有人将第四范式称为基于大数据的科学研究，它的到来预示着我们习以为常的“结论先行—仿真验证”的研究方法被重新构建，高性能算力在科研中的重要性更加突出。随着超级计算机技术发展，在第三范式和第四范式中取得的科研突破将越来越多。

量子计算：神仙打架，未至终局

随着集成电路逐渐接近原子极限，量子计算被认为是后摩尔时代最具潜力的破局者。相比传统的超级计算机技术路线，量子计算可提供指数级的算力提升，从而突破目前应用领域的算力瓶颈。研制量子计算机，同样成为各国角逐的焦点。

一个很鲜明的对比：日本超级计算机“富岳”曾登顶世界超算排行榜第一，然而2020年问世的中国量子计算机“九章”，处理高斯玻色取样的速度比当时最快的超级计算机快100万亿倍。

某种程度上说，超级计算机需要一亿年完成的任务，量子计算机可以缩短到一分钟。

量子计算为何优于传统计算机？经典计算机在对晶体管进行开关操作时会将数据转化为1或0的符号，而量子计算机是使用“量子比特”，量子比特可以叠加，同时充当1和0，也就是说，单个量子位可以执行两次计算。以此类推，到300个量子位时，量子计算机就可以在顷刻间执行比可见宇宙中原子还多的计算。

2019年9月，多家海外媒体披露，谷歌一份内部研究报告显示，其研发的量子计算机成功在3分20秒时间内，完成传统计算机需1万年时间处理的问题，并声称是全球首次实现“量子霸权”（即指量子计算机在速度和可完成运算项目上，超越现有最快的传统计算机）。

2019年12月，中科大宣布，已利用自主研发的先进单光子源、多通道光学干涉仪，与中科院上海微系统与信息技术研究所研究员尤立星以及德国、荷兰的科学家合作，成功实现了20光子输入60×60模式（60个输入口，60层的线路深度，包括396个分束器和108个反射镜）干涉线路的玻色取样实验。与国际学界之前的研究成果相比，此次实验成功操纵的单光子数增加了5倍，模式数增加了5倍，取样速率提高了6万倍，输出态空间维数提高了百亿倍。其中由于多光子高模式特性，输出态空间达到了370万亿维数——

这等效于构建了48个量子比特计算空间。当时发表该研究结果的《物理评论快报》审稿人认为，这项研究突破是“一个巨大的飞跃”，“是通往实现‘量子霸权’的‘弹簧跳板’”。

一年以后，中国科学家孜孜以求，从48一举弹到了76，构建出76个量子比特计算空间。速度比谷歌发布的53个超导比特量子计算原型机“悬铃木”快100亿倍。

2021年5月7日，《科学》杂志发表中国科学技术大学潘建伟团队研究成果，其成功研制出了量子计算原型机“祖冲之号”，操纵的超导量子比特达到62个，并在此基础上实现了可编程的二维量子行走。该成果为在超导量子系统上实现量子优越性，以及后续研究具有重大实用价值的量子计算奠定了技术基础。

与此同时，升级版的“九章2.0”也极大提高了其量子优势，对于高斯玻色取样问题，一年前的“九章”一分钟可以完成的任务，世界上最强大的超级计算机需要花费亿年时间；而“九章2.0”一分钟完成的任务，超级计算机花费的时间要再增加百亿倍。并且“九章2.0”还具有了部分可编程的能力。

“九章2.0”和“祖冲之号”的出现，使我国成为唯一在两个物理体系中实现量子计算优越性的国家。

“故事”远未结束。就在这个月，加拿大多伦多一家初创公司所开发的光子量子计算机Bore-alis登上《自然》杂志，并宣称只用36微秒就可以解决传统超级计算机需要9000年才能解决的问题，计算速度超过目前享誉全球的超级计算机，同时也向中国的九章2.0发起挑战。

该研发团队还表示，它们的量子计算机基于光子，比IBM、谷歌、亚马逊等基于超导电路或捕获离子的量子计算机具有明显的改进与优势。

具体来说，基于超导电路或捕获离子的量子比特需要比外太空还要冷的温度，因为热量会破坏量子比特。要在如此寒冷的温度下保持量子比特，需要昂贵、笨重的低温系统，而采用了这样的系统，也会限制量子比特的尺寸大小往更迷你、更便捷的方向发展。

相比之下，基于光子的量子比特的量子计算机可以在室温环境下运行，可以集成到现有的基于光纤的电信系统中，帮助量子计算机连接到网络，有望形成强大的量子互联网。“Borealis是第一台任何拥有互联网连接的人能够公开使用的具有量子计算优势的机器。”该研究的负责人Jonathan Lavoie说。

“神仙打架”，未有终局。它给普通人带来了什么？在复旦大学物理系教授施郁看来，基于两种技术路线的算力的竞争，依然在继续。

可以确定的是，普通人眼中天书般的科研竞争，无疑将不断打破传统计算机界限，使计算机运算能力呈几何级数剧增，并由此带来适应其“并行计算”特点的化学、人工智能等技术理论研究的突破，延伸至下游应用技术，可能引发物流、金融、能源等多个与日常生活紧密相关的领域的生态变革，为社会生活带来巨变。