我國(guó)信息科技領(lǐng)域主要短板問(wèn)題及研發(fā)建議*

唐 川 田倩飛**， 張 娟 徐 婧

（1.中國(guó)科學(xué)院成都文獻(xiàn)情報(bào)中心，成都610041；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院圖書情報(bào)與檔案管理系，北京100864）

2018年美國(guó)對(duì)中國(guó)發(fā)動(dòng)貿(mào)易戰(zhàn)，實(shí)質(zhì)上是對(duì)中國(guó)高科技領(lǐng)域的打壓與遏制，其重點(diǎn)又聚焦于關(guān)系國(guó)家經(jīng)濟(jì)和安全命脈的信息科技產(chǎn)業(yè)。我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，面臨傳統(tǒng)要素優(yōu)勢(shì)減弱和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)加劇雙重壓力，面臨穩(wěn)增長(zhǎng)、促改革、調(diào)結(jié)構(gòu)、惠民生、防風(fēng)險(xiǎn)等多重挑戰(zhàn)，面臨全球新一輪科技產(chǎn)業(yè)革命與我國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型、產(chǎn)業(yè)升級(jí)的歷史交匯，亟需發(fā)揮信息科技覆蓋面廣、滲透性強(qiáng)、帶動(dòng)作用明顯的優(yōu)勢(shì)，推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，培育發(fā)展新動(dòng)能，構(gòu)筑國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)新優(yōu)勢(shì)［1］。在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的背景下，我國(guó)信息科技產(chǎn)業(yè)面臨新的隱患，若不能及時(shí)彌補(bǔ)短板，恐將產(chǎn)生新的產(chǎn)業(yè)安全問(wèn)題。對(duì)此，本文重點(diǎn)分析了我國(guó)信息科技產(chǎn)業(yè)在集成電路、操作系統(tǒng)、信息安全三大傳統(tǒng)方向及量子計(jì)算、后量子密碼和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算等顛覆性技術(shù)面臨的短板和卡脖子問(wèn)題。

1 我國(guó)信息科技產(chǎn)業(yè)面臨諸多短板問(wèn)題

1.1 集成電路：高端芯片及制造工藝等多處可被“卡脖子”

我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)近年來(lái)有所進(jìn)步，但“中興事件”將長(zhǎng)期隱藏在背后的諸多短板曝光于眾［2］，其中最為關(guān)鍵的幾項(xiàng)問(wèn)題包括［3］：

1）高端芯片嚴(yán)重依賴進(jìn)口。目前，我國(guó)芯片的自給率僅三成左右，年進(jìn)口額高達(dá)2500億美元。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的微處理器（MPU）、通用電子系統(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列/可擦除可編輯邏輯器件（FPGA/EPLD）和數(shù)字信號(hào)處理（DSP）、通信裝備中的嵌入式MPU和DSP、存儲(chǔ)設(shè)備中的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）和與非門閃存（Nand Flash）、顯示及視頻系統(tǒng)中的顯卡驅(qū)動(dòng)，國(guó)產(chǎn)芯片占有率極低［4］。

2）先進(jìn)工藝差距明顯。我國(guó)集成電路制造工藝落后國(guó)際同行兩三代，國(guó)內(nèi)最先進(jìn)企業(yè)剛實(shí)現(xiàn)在14納米量產(chǎn)水平，而國(guó)際一流企業(yè)即將量產(chǎn)7納米［5］。

3）芯片設(shè)計(jì)關(guān)鍵能力匱缺。國(guó)內(nèi)芯片設(shè)計(jì)業(yè)缺少關(guān)鍵性知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）核的設(shè)計(jì)能力，缺乏自主定義設(shè)計(jì)流程的能力，系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）設(shè)計(jì)嚴(yán)重依賴第三方IP核；國(guó)內(nèi)代工廠IP核供給不足，嚴(yán)重依賴具備成熟IP核的工藝資源，還不具備客戶自有工具（COT）設(shè)計(jì)能力；全球三大電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）軟件巨頭均來(lái)自美國(guó)，我國(guó)幾乎所有芯片設(shè)計(jì)和制造企業(yè)都離不開它們。

4）配套設(shè)備與材料發(fā)展不足。制造芯片的三大設(shè)備光刻機(jī)、蝕刻機(jī)和薄膜沉積，國(guó)內(nèi)僅中微半導(dǎo)體的介質(zhì)蝕刻機(jī)達(dá)到了國(guó)際一流的7納米水準(zhǔn)。差距最大的是光刻機(jī)，荷蘭阿斯麥（ASML）的極紫外（EUV）光刻機(jī)即將投入7納米工藝，而國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的量產(chǎn)水平是90納米。其他設(shè)備，如離子注入機(jī)、拋光機(jī)、清洗機(jī)、氧化爐等，均與國(guó)際先進(jìn)水平有較大差距。材料方面，日本是全球領(lǐng)先者。在制造芯片的19種主要材料中，日本有14種產(chǎn)量位居全球第一，總份額超過(guò)60%。全球近七成的硅晶圓產(chǎn)自日本，國(guó)內(nèi)硅晶圓幾乎是空白，8英寸國(guó)產(chǎn)率不足10%，12英寸全部依賴進(jìn)口。

1.2 操作系統(tǒng)：幾乎完全依賴國(guó)外產(chǎn)品

國(guó)外操作系統(tǒng)、虛擬化軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)等重要基礎(chǔ)軟件的壟斷或高份額控制對(duì)我國(guó)產(chǎn)生了多層面利害關(guān)系，導(dǎo)致我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展、信息生態(tài)建設(shè)等均受制于人，主要體現(xiàn)在：

1）電腦與手機(jī)操作系統(tǒng)幾乎完全依賴國(guó)外廠商。微軟（Windows）、谷歌（Android）和蘋果（iOS）已占據(jù)全球電腦與智能手機(jī)操作系統(tǒng)的壟斷地位，并牢牢把持著整個(gè)信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈的頂端［6］。我國(guó)電腦終端所使用的操作系統(tǒng)中（2018年4月至 2019年 4月），Windows占比高達(dá)87.44%［7］，國(guó)內(nèi)主流手機(jī)生產(chǎn)商均是在谷歌授權(quán)的Android系統(tǒng)上開發(fā)各自的操作系統(tǒng)。

2）服務(wù)器虛擬化、數(shù)據(jù)庫(kù)等重要基礎(chǔ)軟件大幅落后國(guó)外廠商。VMware在我國(guó)服務(wù)器虛擬化市場(chǎng)中占據(jù)44.7%的份額，高居第一，我國(guó)廠商新華三和華為分別占16.2%和15.1%［8］。Oracle在我國(guó)數(shù)據(jù)庫(kù)市場(chǎng)的占有率超過(guò)50%［9］，而我國(guó)數(shù)據(jù)庫(kù)企業(yè)的品牌和產(chǎn)品技術(shù)與之相比都存在顯著差距［10］。

1.3 信息安全：缺乏主動(dòng)防御權(quán)

在我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)嚴(yán)重依賴國(guó)外集成電路、操作系統(tǒng)和基礎(chǔ)軟件的情況下，我國(guó)的信息安全缺乏主動(dòng)防御權(quán)，主要體現(xiàn)在：

1）進(jìn)口硬件的安全性無(wú)保障。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)信息系統(tǒng)核心硬件依賴國(guó)外進(jìn)口，而進(jìn)口硬件的安全性始終潛藏著預(yù)留后門、植入間諜軟件等難以發(fā)現(xiàn)的威脅，此外，在漏洞出現(xiàn)后的應(yīng)對(duì)上也往往沒(méi)有主動(dòng)權(quán)。例如，2018年英特爾處理器存在的漏洞“熔斷（Meltdown）”和“幽靈（Spectre）”曝光，使我國(guó)大量采用相關(guān)處理器的系統(tǒng)暴露在巨大風(fēng)險(xiǎn)之下，但對(duì)漏洞的修復(fù)依然需要依賴英特爾［11］。

2）他國(guó)操作系統(tǒng)易被攻擊。操作系統(tǒng)是信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)，與信息安全密切攸關(guān)，依賴他國(guó)操作系統(tǒng)則更容易成為攻擊對(duì)象?！袄忡R門”的資料顯示，微軟公司曾幫助美國(guó)國(guó)家安全局通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)竊取他國(guó)加密文件數(shù)據(jù)［12］。2017年5月，勒索病毒W(wǎng)annaCry席卷全球，對(duì)我國(guó)Windows用戶造成了巨大損失。而事實(shí)上，美國(guó)國(guó)家安全局早在之前就發(fā)現(xiàn)了Windows系統(tǒng)的“永恒之藍(lán)”漏洞并利用該漏洞開發(fā)了黑客武器，WannaCry就是該武器的變種。

1.4 顛覆性技術(shù)：競(jìng)爭(zhēng)暴露潛在短板

除了成熟行業(yè)的科技短板，還應(yīng)重視未來(lái)可能實(shí)現(xiàn)的顛覆性技術(shù)，否則“卡脖子”問(wèn)題將不斷重演。目前，量子計(jì)算、后量子密碼、神經(jīng)形態(tài)計(jì)算等多項(xiàng)顛覆性技術(shù)正處于發(fā)展初期，各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)愈發(fā)激烈，我國(guó)已暴露若干不足之處，未來(lái)恐演化成致命短板，值得重視。

1.4.1 量子計(jì)算：缺乏戰(zhàn)略高度和系統(tǒng)考慮，企業(yè)力量弱

量子計(jì)算一旦發(fā)展成熟并投入商用，將成為先進(jìn)計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等領(lǐng)域的有力工具，并為現(xiàn)行信息技術(shù)體系帶來(lái)根本性變革。

美日等國(guó)已從戰(zhàn)略高度系統(tǒng)地制定了量子計(jì)算研發(fā)規(guī)劃。我國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域雖已取得長(zhǎng)足進(jìn)步，但尚無(wú)國(guó)家層面的研發(fā)構(gòu)架總體設(shè)計(jì)和統(tǒng)一部署，這也造成資源有限且配置不合理，投資渠道單一且不足，目前主要依賴政府科技部門支持，絕大部分研究力量仍集中在學(xué)術(shù)界。在相關(guān)專利布局以量子計(jì)算應(yīng)用為主，而設(shè)計(jì)量子比特方案、量子硬件研發(fā)等“制高點(diǎn)”的專利很少，專利組合空間狹窄，加之我國(guó)半導(dǎo)體制造業(yè)基礎(chǔ)薄弱，將導(dǎo)致我國(guó)在未來(lái)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中處于被動(dòng)位置，重大研究成果商業(yè)化時(shí)間延滯，甚至“起大早趕晚集”，喪失取得戰(zhàn)略制高點(diǎn)的機(jī)會(huì)。

1.4.2 后量子密碼及其標(biāo)準(zhǔn)化：未受重視

后量子密碼是應(yīng)對(duì)量子計(jì)算挑戰(zhàn)的重要途徑之一，其計(jì)算安全性據(jù)信可以抵御當(dāng)前已知任何形式的量子攻擊，還可以與當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較高程度的兼容。

目前各國(guó)后量子密碼研究及其標(biāo)準(zhǔn)化工作都還處于起步階段，我國(guó)在密碼基礎(chǔ)理論某些方面的研究做得很好，但在密碼技術(shù)的應(yīng)用水平方面與國(guó)外還有一定的差距。若我國(guó)在后量子密碼學(xué)研究中依然輕視標(biāo)準(zhǔn)化工作，那么將在量子時(shí)代的密碼研發(fā)和使用上失去控制權(quán)與話語(yǔ)權(quán)，進(jìn)而影響國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)安全。

1.4.3 神經(jīng)形態(tài)計(jì)算：缺乏重大計(jì)劃支持

神經(jīng)形態(tài)計(jì)算是一種新型的非馮·諾依曼計(jì)算模式，能夠模擬人腦結(jié)構(gòu)及其處理信息的模式，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看可為各種計(jì)算系統(tǒng)提供更為智能和低功耗的處理器，是后摩爾時(shí)代新型計(jì)算技術(shù)和未來(lái)人工智能的關(guān)鍵。

在美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）資助下，IBM于2014年發(fā)布神經(jīng)形態(tài)計(jì)算芯片“真北（TrueNorth）”，被《科學(xué)》雜志評(píng)為當(dāng)年度十大科學(xué)突破之一；歐盟“人類大腦工程”也把神經(jīng)形態(tài)計(jì)算列為六大研發(fā)重點(diǎn)之一。然而我國(guó)尚無(wú)國(guó)家級(jí)重大研發(fā)計(jì)劃，僅少量相關(guān)研究得到支持。與領(lǐng)先的美國(guó)和歐洲相比，我國(guó)在規(guī)劃布局、項(xiàng)目組織、技術(shù)成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化等方面都存在較大差距，企業(yè)投入更是乏力。

2 國(guó)際相關(guān)計(jì)劃及研發(fā)重點(diǎn)

我國(guó)信息科技產(chǎn)業(yè)與國(guó)際先進(jìn)水平有相當(dāng)差距，主要體現(xiàn)在核心技術(shù)仍受制于人，信息產(chǎn)業(yè)對(duì)外技術(shù)依存度高，先導(dǎo)性戰(zhàn)略高技術(shù)布局仍較薄弱。補(bǔ)短板，要認(rèn)識(shí)技術(shù)屬性的時(shí)代內(nèi)涵，遵循技術(shù)創(chuàng)新的規(guī)律，加強(qiáng)核心技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用，用好國(guó)際創(chuàng)新資源［13］。圍繞信息科技領(lǐng)域的核心問(wèn)題和爭(zhēng)奪焦點(diǎn)，國(guó)際領(lǐng)先機(jī)構(gòu)部署了諸多研發(fā)計(jì)劃，其中不少具有代表性，值得我國(guó)在補(bǔ)短板過(guò)程中參考借鑒。

2.1 集成電路

1）電子復(fù)興計(jì)劃。美國(guó)DARPA在2017年6月啟動(dòng)的電子復(fù)興計(jì)劃（Electronics Resurgence Initiative，ERI），總投資 22.5億美元。擬在不進(jìn)行縮放的前提下，確保電子性能的持續(xù)改進(jìn)和提升，其技術(shù)重點(diǎn)包括：（1）開發(fā)用于電子設(shè)備的新材料：探索使用非常規(guī)電路元件而非更小的晶體管來(lái)大幅提高電路性能。著眼于在單個(gè)芯片上集成不同的半導(dǎo)體材料，研制結(jié)合了處理和存儲(chǔ)功能的“粘性邏輯（Sticky Logic）”設(shè)備，以及垂直而非平面集成微系統(tǒng)組件［14］。（2）開發(fā)將電子設(shè)備集成到復(fù)雜電路中的新體系結(jié)構(gòu)：探索針對(duì)特定任務(wù)而優(yōu)化的電路結(jié)構(gòu)，例如能根據(jù)所支持的軟件需求調(diào)整進(jìn)行可重新配置的物理結(jié)構(gòu)。（3）進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)上的創(chuàng)新：重點(diǎn)開發(fā)用于快速設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)專用芯片的工具。新的設(shè)計(jì)工具和開放源代碼設(shè)計(jì)范例應(yīng)具有變革性，使用戶能夠快速便宜地為各種商業(yè)應(yīng)用創(chuàng)建專用電路。

2）國(guó)際器件與系統(tǒng)技術(shù)藍(lán)圖。作為“國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖”（ITRS）的繼承者，2017年版的“國(guó)際器件與系統(tǒng)技術(shù)藍(lán)圖”（IRDS）指出了若干發(fā)展趨勢(shì)：（1）鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FinFET）可為實(shí)現(xiàn)高性能邏輯應(yīng)用持續(xù)微縮到2021年；在2019年以后，業(yè)界將開始轉(zhuǎn)向環(huán)繞式閘極（GAA）晶體管，并可能轉(zhuǎn)向需要垂直納米線器件；到2024年GAA將在4/3nm節(jié)點(diǎn)完全取代FinFET，傳統(tǒng)的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝至此終結(jié)；（2）高遷移率材料（如鍺）有望使驅(qū)動(dòng)電流提高一個(gè)數(shù)量級(jí)；（3）業(yè)界必須追尋3D集成技術(shù)，如堆棧與單片3D，以維持系統(tǒng)的性能與增加功率，同時(shí)保有成本優(yōu)勢(shì)［15］。

3）半導(dǎo)體研究機(jī)遇：行業(yè)愿景與指南。美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)（SIA）和半導(dǎo)體研究公司（SRC）在其《半導(dǎo)體研究機(jī)遇：行業(yè)愿景與指南》（2017）報(bào)告中明確了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的14個(gè)關(guān)鍵研究領(lǐng)域及其在未來(lái)十年的潛在研究主題，包括：先進(jìn)材料、器件和封裝；互聯(lián)技術(shù)和架構(gòu)；智能內(nèi)存與存儲(chǔ)；功率管理；傳感器和通信系統(tǒng)；分布式計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)；認(rèn)知計(jì)算；生物啟發(fā)計(jì)算和存儲(chǔ)；先進(jìn)和非傳統(tǒng)架構(gòu)與算法；安全與隱私；設(shè)計(jì)工具、方法和測(cè)試；下一代制造范式；環(huán)境健康與安全的材料和工藝；新型測(cè)量與表征。

此外，IBM投入了30億美元重點(diǎn)突破8大方向：7納米及以下的硅技術(shù)、量子計(jì)算、神經(jīng)形態(tài)計(jì)算、碳納米管、III-V族半導(dǎo)體技術(shù)、低功耗晶體管、硅光子技術(shù)和石墨烯［16］。

2.2 操作系統(tǒng)

由于電腦、智能手機(jī)的操作系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)格局已難改變，近年針對(duì)操作系統(tǒng)的研究工作主要圍繞新興智能終端和硬件平臺(tái)展開。2017年9月，美國(guó)NSF發(fā)布計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)核心項(xiàng)目指南［17］。其中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究方向終端支持的計(jì)算系統(tǒng)的變革性研究涉及從微型傳感器和嵌入式計(jì)算機(jī)的大規(guī)模系統(tǒng)到多核架構(gòu)和操作系統(tǒng)、移動(dòng)和傳感器系統(tǒng)以及倉(cāng)庫(kù)規(guī)模的云后端系統(tǒng)等。

面向虛擬現(xiàn)實(shí)，谷歌專門打造了虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備定制版的 Android操作系統(tǒng)［18］，微軟開發(fā)了Windows Holographic軟件平臺(tái)［19］。針對(duì)深度學(xué)習(xí)和自動(dòng)駕駛，谷歌開源了Tensorflow深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)，百度開源了阿波羅自動(dòng)駕駛軟件平臺(tái)。圍繞物聯(lián)網(wǎng)，各機(jī)構(gòu)推出了數(shù)十種操作系統(tǒng)，分兩條技術(shù)路線：一是嵌入式操作系統(tǒng)，主要有Google Brillo、華為 LiteOS、微軟 Win10 IoT、蘋果 Embedded Apple iOS等；二是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，主要有ARM Mbed OS、上海慶科 MICO、Nucleus RTOS、WindRiver VxWorks、Green Hills Integrity等。

2.3 網(wǎng)絡(luò)安全

美國(guó)網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)研發(fā)計(jì)劃（NITRD）將網(wǎng)絡(luò)安全與信息保障（CSIA）項(xiàng)目作為其八大戰(zhàn)略性優(yōu)先領(lǐng)域之一，目標(biāo)是對(duì)計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可用性、完整性和保密性遭受的威脅進(jìn)行檢測(cè)、阻止、抵御、應(yīng)對(duì)和恢復(fù)。該項(xiàng)目確立了促進(jìn)變革性技術(shù)、奠定科學(xué)基礎(chǔ)、研究影響最大化、加速實(shí)踐轉(zhuǎn)化等四大重點(diǎn)，其中促進(jìn)變革性技術(shù)的研究主題包括：量身定制的可信空間、移動(dòng)性目標(biāo)、網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)激勵(lì)、安全設(shè)計(jì)。

美國(guó)國(guó)土安全部自2003年開始實(shí)施“愛(ài)因斯坦”計(jì)劃，至今經(jīng)歷了三個(gè)階段：“愛(ài)因斯坦1”，基于流量分析技術(shù)（DFI）來(lái)進(jìn)行異常行為檢測(cè)與總體趨勢(shì)分析；“愛(ài)因斯坦2”，基于入侵檢測(cè)系統(tǒng)（IDS）技術(shù)對(duì)TCP/IP通訊的數(shù)據(jù)包進(jìn)行深度報(bào)文解析（DPI）分析，以發(fā)現(xiàn)惡意行為；“愛(ài)因斯坦3”，在政府機(jī)構(gòu)中部署入侵防范系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)對(duì)每個(gè)政府機(jī)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)出口部署安全措施，形成自我保護(hù)系統(tǒng)，保護(hù)民用部門和聯(lián)邦機(jī)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)安全。

DARPA自2010年開始資助研究集成電路的完整性與可靠性（IRIS），其目標(biāo)是獲取集成電路的功能并明確該集成電路是否遭到了惡意篡改，同時(shí)從物理角度精確確定集成電路的有效壽命，最大程度地保障對(duì)國(guó)防系統(tǒng)至關(guān)重要的集成電路的可靠性。2015年啟動(dòng)的IRIS項(xiàng)目三期的目標(biāo)則是研究晶體管和晶體管互連的老化機(jī)制，以創(chuàng)建預(yù)測(cè)模型，并測(cè)試如何精確和快速地?cái)喽ň唧w的磨損機(jī)制，關(guān)注點(diǎn)是研究故障的物理機(jī)制、開發(fā)28nm與14nm IC快速降解模型，并可控地減少降解CMOS集成電路的時(shí)間。

2.4 顛覆性技術(shù)

2.4.1 量子計(jì)算

2018年，美國(guó)“國(guó)家量子計(jì)劃法案”確定將實(shí)施10年期“國(guó)家量子行動(dòng)計(jì)劃”。此前，美國(guó)政府多個(gè)部門已分別開展了重點(diǎn)不同的研究項(xiàng)目：美國(guó)國(guó)防部設(shè)立的量子科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目（NEQST）致力于開發(fā)新型量子比特、運(yùn)行方式和環(huán)境；陸軍研究實(shí)驗(yàn)室支持開發(fā)多站點(diǎn)、多節(jié)點(diǎn)、模塊化的量子網(wǎng)絡(luò)；情報(bào)高級(jí)研究計(jì)劃局推出邏輯量子比特項(xiàng)目（LogiQ），旨在建立邏輯量子比特來(lái)克服現(xiàn)有多量子比特系統(tǒng)的局限；能源部支持量子模擬和量子計(jì)算核心研究項(xiàng)目，并大力支持試驗(yàn)臺(tái)的開發(fā)。

日本的量子飛躍旗艦計(jì)劃（2018）確立了3個(gè)重點(diǎn)技術(shù)方向：1）量子信息處理（量子模擬、量子計(jì)算機(jī)等）領(lǐng)域，以研發(fā)通用型量子計(jì)算機(jī)為目標(biāo)，重點(diǎn)關(guān)注冷原子、分子體系，超導(dǎo)量子比特以及軟件等基礎(chǔ)研究主題；2）量子測(cè)量和傳感器領(lǐng)域，重點(diǎn)關(guān)注固體量子傳感器、光量子傳感器，以及量子測(cè)量和傳感器的基礎(chǔ)技術(shù)等；3）下一代激光技術(shù)領(lǐng)域，重點(diǎn)關(guān)注阿秒級(jí)的極短脈沖激光和網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)（CPS）型激光加工，以及高亮度高溫原位測(cè)量技術(shù)和極限狀態(tài)下光合物質(zhì)的相互作用等基礎(chǔ)研究主題。

歐盟的量子技術(shù)旗艦計(jì)劃（2016）將量子通信、量子計(jì)算、量子模擬、量子傳感/計(jì)量作為關(guān)鍵方向，同時(shí)關(guān)注工程/控制、軟件/理論、教育/培訓(xùn)三個(gè)層面的研究與活動(dòng)。英國(guó)則計(jì)劃在2035年前逐步實(shí)現(xiàn)量子系統(tǒng)組件、量子原子鐘、量子傳感器、量子慣性傳感器、量子通信、量子增強(qiáng)影像、量子計(jì)算等7項(xiàng)重要量子信息技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用。

此外，量子計(jì)算展示的廣闊前景促使谷歌、IBM、Intel、微軟等眾多IT巨頭爭(zhēng)相投入巨大的財(cái)力和人力開展相關(guān)研究。其中，IBM、谷歌選擇了主流的超導(dǎo)回路方案，Intel在專注硅量子點(diǎn)技術(shù)的同時(shí)也進(jìn)行超導(dǎo)回路方案開發(fā)，微軟選擇了拓?fù)淞孔佑?jì)算，加拿大的D-Wave公司則開發(fā)了基于量子退火法的量子計(jì)算機(jī)。

2.4.2 后量子密碼

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）在2016年制定了后量子密碼未來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間表，希望在2020年左右公布后量子計(jì)算的密碼學(xué)算法標(biāo)準(zhǔn)。2018年1月，日本信息通信研究機(jī)構(gòu)開發(fā)出同時(shí)具備“抗量子性”和“通用性”的新型加密算法LOTUS，被NIST采用并作為量子計(jì)算機(jī)時(shí)代備選加密技術(shù)之一。新一輪的密碼算法標(biāo)準(zhǔn)化博弈已經(jīng)展開。

2.4.3 神經(jīng)形態(tài)計(jì)算

歐盟人腦計(jì)劃（HBP）旗艦計(jì)劃將神經(jīng)形態(tài)計(jì)算平臺(tái)作為其6大核心ICT平臺(tái)之一，致力于開發(fā)和提供神經(jīng)形態(tài)軟硬件原型，以催生一系列新型科學(xué)實(shí)驗(yàn)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的中長(zhǎng)期技術(shù)實(shí)施計(jì)劃（2026—2030）目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)包括神經(jīng)形態(tài)計(jì)算在內(nèi)的新型計(jì)算模式與硬件集成，并用于裝備士兵。

3 對(duì)我國(guó)信息科技領(lǐng)域研究的建議

由于目前我國(guó)信息科技產(chǎn)業(yè)存在短板較多、問(wèn)題積累較深、涉及面較廣，需要科技界長(zhǎng)期攻堅(jiān)克難，并且與政府部門、產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)、教育部門、投資者、用戶等各方面保持緊密配合，才有望扭轉(zhuǎn)局面。本文針對(duì)我國(guó)信息科技領(lǐng)域研究從4個(gè)方向上提出建議。

3.1 對(duì)集成電路研究的建議

針對(duì)集成電路領(lǐng)域的短板與發(fā)展趨勢(shì)，需要夯實(shí)產(chǎn)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)，補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)短板，同時(shí)前瞻布局關(guān)鍵性新興研究方向。

建議：1）開發(fā)面向領(lǐng)域?qū)Ｓ眯酒母叨茸詣?dòng)化EDA工具，幫助用戶快速地實(shí)現(xiàn)芯片設(shè)計(jì)；2）持續(xù)支持跨領(lǐng)域的光刻機(jī)、刻蝕機(jī)和薄膜沉積裝備等關(guān)鍵裝備研發(fā)，特別是應(yīng)盡早啟動(dòng)極紫外光刻機(jī)（EUV）的研發(fā)；3）重點(diǎn)突破 FinFET、GAA、高遷移率溝道、源漏應(yīng)變工程等核心制造工藝；4）大力研究三維存儲(chǔ)、三維計(jì)算等三維芯片技術(shù)，以及與之密切相關(guān)的穿透硅通孔、層減薄、晶圓鍵合、設(shè)計(jì)測(cè)試、多尺寸穿孔、靜電保護(hù)等技術(shù)；5）針對(duì)未來(lái)重要應(yīng)用領(lǐng)域研制專用芯片，在傳統(tǒng)芯片領(lǐng)域被國(guó)外巨頭壟斷的情況下，重點(diǎn)攻關(guān)面向人工智能、區(qū)塊鏈、邊緣計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等未來(lái)重要應(yīng)用領(lǐng)域的專用芯片；6）以開源、微核、模塊化、開放性、可擴(kuò)展等為指導(dǎo)思想開發(fā)IP核，研制并開源其開發(fā)工具；7）探索碳納米管、石墨烯、量子計(jì)算、神經(jīng)形態(tài)計(jì)算等新型材料與計(jì)算模式，推動(dòng)顛覆性創(chuàng)新和突破［20］。

3.2 對(duì)操作系統(tǒng)研究的建議

針對(duì)操作系統(tǒng)領(lǐng)域的短板與發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)抓住新興硬件與平臺(tái)的發(fā)展機(jī)遇，特別是針對(duì)每年新增數(shù)十億臺(tái)的智能終端，研制與之相匹配的軟件平臺(tái)，通過(guò)開源吸引用戶，快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品迭代，占據(jù)主流市場(chǎng)［21，22］。

國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)若要強(qiáng)大發(fā)展，必須要形成完整的生態(tài)系統(tǒng)，應(yīng)積極整合軟件開發(fā)者、芯片企業(yè)、終端企業(yè)、運(yùn)營(yíng)商等產(chǎn)業(yè)鏈上的各主體，構(gòu)建起一個(gè)覆蓋配件、終端、應(yīng)用服務(wù)等諸多環(huán)節(jié)的完整生態(tài)圈［23］。

3.3 對(duì)信息安全研究的建議

針對(duì)信息安全領(lǐng)域的短板與發(fā)展趨勢(shì)，需要全力解決軟硬件非自主可控情況下隱藏的一系列安全問(wèn)題，同時(shí)關(guān)注未來(lái)可能形成優(yōu)勢(shì)的技術(shù)。

建議：1）針對(duì)現(xiàn)有信息系統(tǒng)開展可信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)研究，重點(diǎn)關(guān)注集成電路安全性和可靠性、電子器件供應(yīng)鏈硬件完整性防御、快速電路實(shí)現(xiàn)、軟件缺陷快速發(fā)現(xiàn)、安全可信網(wǎng)絡(luò)空間研究、網(wǎng)絡(luò)空間防御可信基礎(chǔ)、安全自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)測(cè)試床等。2）針對(duì)新興技術(shù)開展安全性研究，重點(diǎn)關(guān)注云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等新興技術(shù)的安全問(wèn)題。3）建立安全漏洞信息共享機(jī)制及安全事件響應(yīng)機(jī)制，整合來(lái)自政府、企業(yè)等網(wǎng)絡(luò)威脅、漏洞和事件信息，規(guī)制安全漏洞的發(fā)掘、披露及出口等行為，明確特定目的下漏洞披露、攻擊、非授權(quán)訪問(wèn)的行為邊界。

3.4 對(duì)顛覆性技術(shù)研究的建議

針對(duì)顛覆性技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，建議圍繞顛覆性信息科技的發(fā)展態(tài)勢(shì)開展戰(zhàn)略研究，設(shè)立相關(guān)重大科技計(jì)劃，持續(xù)支持顛覆性技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用。

1）量子計(jì)算。應(yīng)認(rèn)真分析考量我國(guó)量子計(jì)算的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，積極探索量子比特構(gòu)建的幾項(xiàng)主流技術(shù)方案，并加大力度研究創(chuàng)新性量子算法，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上推廣量子計(jì)算應(yīng)用，同時(shí)針對(duì)量子比特構(gòu)建、量子硬件研發(fā)和量子計(jì)算應(yīng)用進(jìn)行全面的專利布局，爭(zhēng)取更多的專利“制高點(diǎn)”和組合空間，避免未來(lái)受制于人。

2）后量子密碼。針對(duì)可能來(lái)臨的量子計(jì)算時(shí)代，應(yīng)加速我國(guó)后量子密碼研發(fā)進(jìn)程，大力開展密碼基礎(chǔ)理論研究，通過(guò)多方合作尤其是產(chǎn)業(yè)界的積極參與推動(dòng)自主研發(fā)的后量子密碼標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際化進(jìn)程。

3）神經(jīng)形態(tài)計(jì)算。圍繞芯片設(shè)計(jì)與開發(fā)、憶阻器、單神經(jīng)元計(jì)算等熱點(diǎn)主題投入研發(fā)資源，促進(jìn)計(jì)算機(jī)科學(xué)與腦科學(xué)和生命科學(xué)的融合研究，爭(zhēng)取建立技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

此外，還應(yīng)當(dāng)重視的顛覆性技術(shù)有超導(dǎo)計(jì)算、軟件定義一切、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、邊緣計(jì)算、區(qū)塊鏈、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等。