探索我國信息技術體系的自立自強之路
——兼序“構建自立自強的信息技術體系”專題

李國杰 孫凝暉

1 中國科學院計算技術研究所 北京 100190

2 中國科學院大學 計算機科學與技術學院 北京 100049

1 高水平科技自立自強的含義

2021 年 1 月，習近平總書記在省部級主要領導干部學習貫徹黨的十九屆五中全會精神專題研討班的報告中強調，“構建新發展格局最本質的特征是實現高水平的自立自強”。2021 年 5 月 28 日，習近平總書記在中國科學院第二十次院士大會、中國工程院第十五次院士大會、中國科協第十次全國代表大會上發出號召：“加快建設科技強國，實現高水平科技自立自強”。黨中央對科技自立自強進一步提出了“高水平”的要求，這是對廣大科技人員的激勵和鞭策。為實現這個目標，我們首先要理解什么是“高水平科技自立自強”。

新中國從 1949 年成立開始就一直堅持“獨立自主，奮發圖強”的發展方針。新中國成立初期，百廢待興，中國人民志愿軍就敢于走出國門與世界上頭號強敵拼殺；在美國、蘇聯等大國都封鎖、打壓我國的極端困難時期，我們咬緊牙關研制出自己的“兩彈一星”。那是一種主要靠自力更生精神激勵的自立自強。經過 70 多年的艱苦努力，中華民族已經從站起來、富起來向強起來的目標奮進。當今世界正在經歷百年未有之大變局，到新中國成立 100 年時，中國將成為社會主義現代化強國。“高水平科技自立自強”就是現代化強國的自立自強，是以掌握當代高科技為基礎，自立于世界民族之林的自立自強。

具體而言，“高水平科技自立自強”至少應達到 4 項目標：① 科技發展擺脫模仿、跟蹤的技術路線，在信息、生命、材料、制造、航天等領域進入世界科技第一梯隊，在若干重要的科研方向上起到引領作用；② 在涉及國防和信息網絡安全的科技領域掌握非對稱的“撒手锏”技術，具備確保國家安全的自衛能力；③ 在高技術和高端產業領域具有平起平坐的競爭能力，在全世界的技術共同體中取得充分話語權；④ 在信息技術（IT）、制造等領域形成自主、開放的技術體系，使技術創新鏈和產業供應鏈的安全性得到可靠保證。

2 信息技術領域自立自強的標志是開放可控的技術體系

信息領域市場巨大，技術競爭激烈，幾十年來已形成“贏者通吃”的格局，比傳統產業更具壟斷性和技術排他性。決定市場勝負的主要因素不是單項技術，而是有優勢的信息技術體系。所謂信息技術體系是指用一系列技術標準和知識產權將器件、部件、整機、系統軟件、中間件、應用軟件密切聯系在一起的技術整體。個人計算機（PC）和智能手機都已形成信息技術體系，5G 通信正在逐步形成信息技術體系。人們常常把信息技術體系比喻成一棵根深葉茂的參天大樹，中央處理器（CPU）等器件是“樹根”，操作系統等系統軟件是“樹干”，中間件等軟件開發環境和工具是“樹枝”，各類應用軟件是“樹葉”，各個應用領域的產品和服務是“果實”。信息技術體系是在自然規律和社會因素共同作用下形成的，需要經濟基礎、文化基礎、社會價值觀念等各種條件的配合，并受到國家和地區具體條件的制約。信息技術體系加上與之關聯的經濟社會環境就構成信息產業生態系統。

高水平科技自立自強不是靠單項技術，而是要形成強大的國家技術體系，即“國家平臺”。信息領域各個企業之間的競爭不是個別產品之爭，而是產業生態系統（信息技術平臺）之爭。在計算機行業中，主流技術已建立在英特爾（Intel）公司的 CPU 和微軟公司的操作系統（Windows OS）基礎上，Windows OS 與英特爾微處理器的指令集架構（Intel ISA）的組合已成為事實上的工業標準；在移動通信行業中，英國 Acorn 公司的芯片（ARM）與安卓操作系統（Andriod）的組合，以及蘋果公司手機與操作系統（iOS）已成為主流生態系統。決定信息技術企業競爭地位的關鍵是誰掌握了基礎技術平臺，不能自主的信息技術體系必然受制于人。我國信息技術產業的痛處就是在現有的產業生態環境中缺少發言權（定價權和發展方向的決定權）。如何在與國外龍頭企業的競爭中發展培育有較大技術發言權的新產業生態，如何在融入國際主流的過程中改變“跟隨者”的地位，擴大創新空間，并逐步形成開放可控的技術體系，這是信息領域實現自立自強的關鍵。

3 構建自立自強信息技術體系的歷史機遇

縱觀信息技術領域技術體系演進的歷史，可以發現一個規律：一旦一個技術體系占據了主導權，后發者就很難在同一賽道實現趕超或取代，而原賽道的領先者也很難在新“藍?！毖永m其成功。幾十年來，不少企業試圖將微軟和谷歌拉下 PC 和手機生態的霸主位置，但都未成功，微軟進軍手機領域的種種努力也均宣告失敗。歷史告訴我們：形成新的技術體系必須把握住新應用出現時的寶貴機遇。

信息技術領域有一個不同于其他領域的重要特點：新市場遠遠大于舊市場。全球個人計算機 1993 年達到 1 億臺，互聯網設備 2005 年達到 10 億個，移動互聯網設備 2016 年達到 100 億個，預計要不了多久物聯網設備會超過 1 000 億個。信息技術領域的權威學者 Gordon Bell 將這一規律總結為：“計算設備約每 10 年左右完成 1 次升級換代，設備數和用戶數均增加至少 1 個數量級”，這被業界稱為“貝爾定律”。貝爾定律使計算機領域的技術體系換代成為可能。人類已經走過以桌面應用為主的 IT 1.0 時代和以移動端應用為主的 IT 2.0 時代，未來的 IT 3.0 時代一定會產生不同于 IT 1.0 和 IT 2.0 時代的新技術體系，這是中國構建自立自強信息技術體系的難得機遇。

隨著互聯網向人類社會和物理世界滲透延伸，萬物互聯、“人機物”融合、泛在計算的 IT 3.0 時代正在開啟[1]。IT 3.0 時代的新特征是以“物”為核心，物端設備將出現爆炸式增長，越來越多的“物”，包括傳感器、家電、車輛、工業制造設備將加入到原有的人機二元互聯的信息空間，網上負載和信息交互需求也會出現新的變化。高品質用戶“可測、可調、可控、可信”的新服務要求將成為剛需；實時控制、高吞吐率、高良率、自適應性和個性化將成為新技術體系的突出特點。原來的技術體系不能滿足這些新需求，強勁的新需求必將促使新的技術體系應運而生。

由于基礎薄弱和國際環境制約，在過去的半個多世紀里，中國一直只能做信息技術的追隨者，錯過了引領建立信息技術體系的機遇。但通過幾十年的努力，中國已在信息技術領域打下較堅實的基礎：信息技術領域整體技術和產業水平已居世界前列；工程師人數世界第一；專利申請數量世界第一；在全球前 10 家市值最大的信息通信技術（ICT）企業中，中國占據 3 個席位（華為、阿里巴巴、騰訊）。中國的另一個特點是市場大，2020 年我國數字經濟規模達到 39.2 萬億元。市場大意味著創新場景多，一個細分領域的未來市場就能形成足夠大的產業生態。人才多意味著有足夠多的研發和工程隊伍應對多個細分領域的技術體系建設?！澳柖伞保∕oore’s Law）①英特爾創始人之一戈登 · 摩爾的經驗之談，其核心內容為：單位面積的集成電路上可以容納的晶體管數目大約每經過18個月便會增加 1 倍。已接近尾聲，一種產品“通吃天下”的格局即將結束，未來的信息產業生態將朝著領域專用、百花齊放的方向發展，中國的優勢將在未來的競爭中充分體現。

4 構建信息技術體系應重視的 5 個原則

在構建和培育信息技術體系的過程中，需要重視 5 個原則性問題。

（1）自主與開放“雙輪”驅動。發展與安全是一體之兩翼，需要“雙輪”驅動。走好科技自立自強之路，必須正確處理自立自強與開放合作的辯證統一關系。我們不但要重視自主研究開發，真正掌握信息領域的核心關鍵技術，而且要以更加開放的思維和舉措推進國際科技交流合作，積極融入全球創新網絡，使我國成為全球科技開放合作的廣闊舞臺?！安痪鼙娏?，方為江?！?，在發展自立自強的信息技術體系中要抵制“為淵驅魚，為叢驅雀”的關門主義傾向。

（2）以系統結構創新為主，重在跨層縱向整合。通觀計算機發展的歷史，體系結構和芯片的進步各自為計算機性能的提升作出了一半左右的貢獻。但隨著“登納德縮放比例定律”（Dennard Scaling）②該定律指出，隨著晶體管密度的增加，每個晶體管的功耗會下降，因此每平方毫米硅的功耗幾乎是恒定的。由于硅的計算能力隨著每一代新技術的發展而提高，計算機將變得更加節能?！暗羌{德縮放比例定律”在2007年開始顯著放緩，到2012年幾乎終止。的失效和“摩爾定律”的放緩，芯片很難再繼續作出一半的貢獻。在變革性的新器件大規模進入市場以前，提高計算機性能和能效的希望主要寄托在體系結構的創新上。體系結構研究有縱橫交替、周期性發展的規律。過去 30 年的重點是 CPU 芯片、存儲系統、操作系統、編譯系統等各個層次的橫向獨立研究，今后需要透徹了解各個層面技術的聯系和制約，從上到下實現整體的改進和優化。重點發展各個領域的跨層垂直優化技術，用適應不同場景的加速芯片和系統戰勝曾經是主流的通用芯片。

（3）發展開源生態，構建技術命運共同體。目前，世界上高達 99% 的軟件使用開源組件，開源模式也已擴展到硬件領域。開源生態的快速崛起，為包括中國在內的廣大發展中國家突破技術壟斷和市場壟斷帶來新機遇。開源是以弱勝強、打破技術壟斷的有效進攻方式，也是我國構建自立自強信息技術體系的重要途徑。長期以來，我國對開源社區的貢獻與科技大國的地位并不相稱，今后要采取“參與融入、蓄勢引領”的策略，鼓勵企業“參與融入”國際成熟的開源社區，爭取話語權；匯聚國內軟硬件資源和開源人才，打造自主開源生態，伺機實現引領發展， 構建“人類技術命運共同體”。

（4）以多打少，重點發展領域專用產業生態。半導體產業存在通用-專用（定制化-標準化）交替主導發展的“牧本周期”③即半導體產業定制化和標準化每10年周期性輪換一次。20世紀80年代末，日本科學家牧本次夫發現了該特性，被英國《電子學周刊》稱為“牧本浪潮”，也被業界稱為“牧本周期”。，被業界稱為“半導體產業之擺”。今后十幾年，特定領域系統結構（DSA）將成為計算機發展的主流。目前十分火熱的人工智能（AI）芯片、自動駕駛芯片等都屬于 DSA 范疇。DSA 的目標是通過抽取軟件的行為來發現不能被當前架構有效加速支持的部分，并進行新的專用架構設計從而提高系統性能。圖靈獎獲得者 Hennessy 和 Patterson[2]認為，DSA 將開啟計算機體系結構新的黃金時代。中國市場廣闊、開發人員多，發展 DSA 具有天然優勢。我們要充分利用這一優勢，以多打少，通過發展領域專用芯片和系統，打造具有中國特色的信息技術體系。

（5）以快打慢，大力發展敏捷設計和敏捷制造。芯片設計代價很高，具有設計周期長、專業門檻高的特點。智能萬物互聯時代在芯片需求多和芯片設計代價高之間產生了尖銳的矛盾。敏捷設計是應對碎片化應用場景的最有效方式。芯片的設計與制造過程需要使用各種工具，包括微架構設計空間優化工具、測試與驗證工具，電子設計自動化（EDA）工具、芯粒的硅基集成工具和芯片異質集成工具等。只有這些工具能夠免費并十分方便地獲得，才能大幅度降低芯片設計和制造的門檻，充分發揮中國的人才紅利。以快打慢，大力發展敏捷設計和敏捷制造是加速構建我國自立自強信息技術體系的“奇招”。

5 構建信息技術體系的若干探索與建議

為了推進我國的信息技術體系建設，《中國科學院院刊》組織了“構建自立自強的信息技術體系”專題（2022 年第 1 期）。該專題共 8 篇文章，側重于討論技術方向和科研模式的選擇，分別從芯片、系統結構、操作系統、未來網絡、信息基礎設施、應用（大數據）和信息網絡安全等不同角度闡述了構建自立自強信息技術體系的技術途徑和可能遇到的挑戰。文章的作者都是科研一線的領軍人物，一定程度上反映了我國科技人員探索建立信息技術新體系的努力蹤跡和期望愿景，他們的觀點和看法有重要的參考價值，值得一讀。建立信息技術體系還涉及戰略規劃、政策導向、項目設置、專利布局、技術轉移、人才培養等諸多方面，本專題由于篇幅限制未能一一討論這些重大問題。

本專題 8 篇文章涵蓋 5 個方面內容：

（1）技術體系方面。孫凝暉院士等的文章《對信息技術新體系的思考》分析了信息技術新體系的需求，重點闡述了中國主導、全球共建的貫通式跨層優化新體系（C 體系）的 5 項基本原則：內置安全機制、開放跨層優化、多態場景加速、高并發實時處理與傳輸、敏捷開發方法與開源生態。這些原則的共同理念都是充分利用中國特色，發揮中國優勢。

（2）芯片設計方面。陳云霽等“寒武紀”科研團隊成員提出用芯片學習（chip learning）取代芯片設計，目標是通過學習使得芯片設計完全不需要專業知識和設計經驗，可以在短時間、無人參與的情況下高效完成。這可能是解決芯片需求多和芯片設計代價高這一尖銳矛盾的出路之一。包云崗等從另一個角度提出解決上述矛盾的出路：打造開源芯片生態的技術體系。他們以開源指令集 RISC-V 為例，清楚地勾畫了發展開源芯片生態的難得機遇，也分析了開源芯片面臨的巨大的挑戰。

（3）操作系統方面。梅宏院士等在全面回顧操作系統發展史的基礎上，面向人機物融合泛在計算場景，提出要“沉淀”一類新型操作系統——“泛在操作系統”，并支持新型泛在計算資源的管理調度和泛在應用的開發運行。文章分析了泛在操作系統的機遇與挑戰，并對中國發展操作系統的整體部署提出了若干建議。

（4）網絡方面。劉韻潔院士等在《關于未來網絡技術體系創新的思考》一文中指出，融合、開放、智能、可定制、網算存一體已經成為未來網絡技術發展的關鍵趨勢，只有改變傳統互聯網架構，引入新一代信息技術進行基礎網絡架構創新，才能在互聯網競賽的“下半場”取得技術領先。通過對未來網絡實驗實施（CENI）和全球首個大網級網絡操作系統“司絡”（CNOS）的介紹，闡述了如何建立具有國際影響的網絡技術體系的思路和建議。徐志偉等介紹了中國科學院計算技術研究所正在研究和推廣的一種新型信息基礎設施——高通量低熵算力網（簡稱“信息高鐵”），并闡述了其基礎性需求、關鍵科學技術問題和系統結構。這種新的信息基礎設施不僅具有高鐵交通系統一樣準時可控的特點，而且具有較強的自適應性，可滿足不同用戶的高品質服務需求。方濱興院士等從“人、財、物”視角出發，提出了提升網絡空間安全態勢的新思路，包括：通過安全能力認證解決網絡安全人才供應不足問題；通過網絡安全保險解決殘余風險的轉移問題；通過“外打內”模式的網絡靶場提升信息技術產品及網絡安全產品的抗攻擊能力等。

（5）大數據方面。針對當前數據泛濫與缺失并存、數據不完備和數據安全缺失等挑戰。程學旗等提出了大數據分析處理技術體系未來的發展目標與規劃，旨在突破大數據分析處理的理論、技術和系統，以實現大數據分析系統的新架構、新模式、新范式和安全可信。

構建自立自強的信息技術新體系既要滿足解決當前“卡脖子”問題的緊迫需求，又要為實現現代化強國的長遠目標奠定基礎，需要科技界、產業界和政府各部門的共同努力。希望《中國科學院院刊》“構建自立自強的信息技術體系”專題文章能引起各方面的重視，將共識轉化成力量，力爭在 15—20 年內完成這一宏偉而艱巨的任務。