人工智能硬件發(fā)展的國際比較：中國、歐盟和美國

2019年8月，美國信息技術(shù)與創(chuàng)新基金會(huì)(Information Technology and Innovation Foundation，ITIF)的數(shù)據(jù)創(chuàng)新中心發(fā)布了《誰會(huì)在人工智能角逐中獲勝:中國、歐盟或美國》（Who Is Winning the AI Race: China,the EU or the United States?）。該報(bào)告通過對人才、科研、開發(fā)、應(yīng)用、數(shù)據(jù)和硬件六類指標(biāo)的比較，對中國、歐盟和美國人工智能發(fā)展的現(xiàn)狀進(jìn)行測算。本報(bào)告對中國、歐盟和美國的六類指標(biāo)中的硬件指標(biāo)進(jìn)行解讀，分析半導(dǎo)體銷售量、半導(dǎo)體研發(fā)支出、設(shè)計(jì)AI芯片的公司數(shù)量、超級計(jì)算機(jī)數(shù)量及該系統(tǒng)的綜合性能情況。

一、硬件對于一個(gè)國家的AI競爭力至關(guān)重要

AI系統(tǒng)依賴于可以每秒執(zhí)行大量操作的半導(dǎo)體設(shè)備（如集成電路）。實(shí)際上，作為并行執(zhí)行數(shù)學(xué)運(yùn)算的電路的圖形處理單元（GPU）催化了AI發(fā)展。此外，諸如超級計(jì)算機(jī)的技術(shù)結(jié)合了諸如GPU和中央處理器的處理單元，可以通過大量的計(jì)算能力擴(kuò)展AI系統(tǒng)的功能。例如，研究人員將超級計(jì)算機(jī)與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)結(jié)合，以模擬氣候變化和黑洞合并。

第一，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)薄弱的國家可能容易受到其他國家行動(dòng)的影響。例如，2018年，美國禁止美國公司向中國大型電信設(shè)備制造商中興通訊提供零件和軟件。由于中興通訊依賴美國公司的半導(dǎo)體設(shè)備，導(dǎo)致該公司面臨巨大挑戰(zhàn)。盡管美國最終解除了禁令，但此事件突出了中國對西方國家技術(shù)依賴的問題。2019年，美國禁止美國公司向五個(gè)特定的超級計(jì)算實(shí)體出售芯片，而美國商務(wù)部已將華為列入黑名單。

第三，高性能計(jì)算推動(dòng)了多個(gè)領(lǐng)域的突破性發(fā)現(xiàn)，而性能最佳的超級計(jì)算機(jī)的使用為各國提供了比其他國家更快地開發(fā)前沿武器系統(tǒng)和應(yīng)用程序的優(yōu)勢。

二、AI硬件發(fā)展的情況

1. 半導(dǎo)體銷售量

該指標(biāo)衡量的是2019年第一季度全球銷售量排名前15位的半導(dǎo)體公司的數(shù)量。由表1可知，美國全球銷售量排名前15位的半導(dǎo)體公司的數(shù)量（6家）居首，其次是歐盟（2家公司）和中國（1家公司）。

表1 2019年中國、歐盟和美國半導(dǎo)體銷售額排名前15位的公司數(shù)量

2. 半導(dǎo)體研究與開發(fā)支出

不僅半導(dǎo)體銷售額重要，半導(dǎo)體公司的研發(fā)支出也很重要，其通常是影響開發(fā)最佳芯片的主要因素。該指標(biāo)衡量的是2017年研發(fā)支出排名前10位的半導(dǎo)體公司的數(shù)量。美國研發(fā)支出排名前10位的半導(dǎo)體公司數(shù)量（5家）居首，領(lǐng)先于歐盟和中國（表2）。其中，5家美國公司在研發(fā)方面的總支出為240億美元。

表2 2017年中國、歐盟和美國研發(fā)支出前10位的半導(dǎo)體公司數(shù)量

3. 設(shè)計(jì)AI芯片的公司數(shù)量

由于一些公司發(fā)現(xiàn)開發(fā)定制的AI芯片可以改善其AI系統(tǒng)的性能，因此，跟蹤設(shè)計(jì)AI芯片的公司數(shù)量也很重要。本報(bào)告分析了包括CrunchBase在內(nèi)的多個(gè)數(shù)據(jù)源，跟蹤AI開發(fā)芯片的公司數(shù)量。由表3可知，美國設(shè)計(jì)AI芯片的公司數(shù)量（55家）多于中國（26家）和歐盟（12家）。每1000萬員工中，美國設(shè)計(jì)AI芯片的公司數(shù)量（3家）居首，其次是歐盟（0.5家）和中國（0.3家）。

表3 2019年中國、歐盟和美國設(shè)計(jì)AI芯片的公司數(shù)量

4. 超級計(jì)算機(jī)數(shù)量

該指標(biāo)檢查性能方面排名前500位的超級計(jì)算機(jī)的數(shù)量，即計(jì)算機(jī)每秒所執(zhí)行的浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)。由表4可知，2019年，在超級計(jì)算機(jī)500強(qiáng)中，中國擁有的超級計(jì)算機(jī)數(shù)量（219個(gè)）超過美國（116個(gè)）和歐盟（92個(gè)）。每1000萬員工中，美國的超級計(jì)算機(jī)的數(shù)量（7個(gè)）多于歐盟（4個(gè)）和中國（3個(gè)）。

表4 2019年中國、歐盟和美國排名前500位的超級計(jì)算機(jī)數(shù)量

5. 超級計(jì)算機(jī)綜合系統(tǒng)性能

評估國家或地區(qū)的另一種方法是衡量排名前500位的超級計(jì)算機(jī)的綜合系統(tǒng)性能。圖1顯示了2009—2019年，在全球前500強(qiáng)超級計(jì)算機(jī)中，美國的綜合系統(tǒng)性能占比最高（38％），多于中國（30％）和歐盟（17％）。每10000名工人中，美國的超級計(jì)算機(jī)的綜合系統(tǒng)性能（36 TFLOPs/s）領(lǐng)先于歐盟（10 TFLOPs/s）和中國（6 TFLOPs/s）。

圖1 2009—2019年中國、歐盟和美國排名前500位的超級計(jì)算機(jī)的總體性能

三、總結(jié)

1. 美國仍遙遙領(lǐng)先，我國趕超歐盟

由數(shù)據(jù)分析顯示，美國在硬件方面在世界上仍然領(lǐng)先，但中國在超級計(jì)算機(jī)數(shù)量方面超過了美國，在AI半導(dǎo)體方面正在崛起，歐盟在硬件方面落后。

2. 美國在超級計(jì)算機(jī)方面地位不牢固

世界最快的10臺超級計(jì)算機(jī)中有6臺在美國，其中最快的兩臺超級計(jì)算機(jī)（Summit和Sierra）在美國能源部（DOE）的站點(diǎn)。此外，世界500強(qiáng)超級計(jì)算機(jī)中96％的處理器是由美國英特爾公司開發(fā)，133臺超級計(jì)算機(jī)的加速器或協(xié)處理器中，98％來自美國的Nvidia及英特爾公司。

但是，我國已經(jīng)趕超美國成為超級計(jì)算機(jī)的全球領(lǐng)導(dǎo)者。2010年6月，全球500臺性能最佳的超級計(jì)算機(jī)中有282臺在美國。然而，在2018年，美國的超級計(jì)算機(jī)只有109臺位居世界500強(qiáng)，為歷史最低水平。此外，美國和中國都在開發(fā)百億億次計(jì)算機(jī)，它們每秒可以執(zhí)行五百億次計(jì)算。

3. 我國的人工智能芯片正在崛起

盡管我國在超級計(jì)算機(jī)方面與美國處于競爭狀態(tài)，但其在半導(dǎo)體領(lǐng)域已經(jīng)開始顯示出與美國差距的縮小。在過去的兩年中，我國數(shù)家AI芯片初創(chuàng)企業(yè)已獲得至少1億美元的資金。一些專家認(rèn)為，與在半導(dǎo)體市場上相比，我國在人工智能芯片市場上的競爭優(yōu)勢更大。例如，為機(jī)器人開發(fā)人工智能芯片的Horizon Robotics在2018年的B輪融資中獲得了6億美元的投資，該輪融資由世界領(lǐng)先的韓國半導(dǎo)體公司SK Hynix牽頭。同樣，最初開發(fā)用于比特幣采礦的芯片的比特大陸，已經(jīng)開發(fā)了一種人工智能芯片，并在2017—2018年獲得了近7.65億美元的資金。

此外，包括百度、騰訊、阿里巴巴和華為在內(nèi)的幾家領(lǐng)先的技術(shù)公司正在開發(fā)AI優(yōu)化的集成電路，美國的大型技術(shù)公司也正在這樣做。華為在設(shè)計(jì)方面表現(xiàn)出了非凡的實(shí)力，如設(shè)計(jì)處理器中晶體管的尺寸的技術(shù)。較小的晶體管比較大的晶體管具有更高的使用功率，同時(shí)可以增加處理器中晶體管的潛在數(shù)量，從而使其產(chǎn)品的潛在功能更強(qiáng)大。

近十年來，許多西方國家的半導(dǎo)體公司一直在設(shè)計(jì)處理器和培養(yǎng)工程人才。我國在AI芯片市場上最具競爭力的是開發(fā)專門的AI芯片，它對AI的重要性比在Nvidia主導(dǎo)下的GPU更為重要。美國公司也在開發(fā)專門的AI芯片，如Google的Tensor處理單元和Luminous Computing的光學(xué)微芯片（通過不同顏色的光來移動(dòng)數(shù)據(jù)）。我國的AI芯片初創(chuàng)企業(yè)的發(fā)展和芯片設(shè)計(jì)的進(jìn)步表明，我國將有能力在半導(dǎo)體領(lǐng)域縮小與美國的差距。

4. 歐盟在開發(fā)先進(jìn)的

人工智能芯片方面相對滯后

首先，沒有一家歐盟半導(dǎo)體公司在研發(fā)支出上排名進(jìn)入世界前十。其次，一些最具創(chuàng)新性的芯片設(shè)計(jì)來自美國和中國公司，如Alphabet、Facebook和百度。由于歐洲分散的市場和競爭法規(guī)，歐盟的數(shù)字初創(chuàng)企業(yè)一直很難擴(kuò)大規(guī)模。最后，非歐盟公司正在收購歐洲半導(dǎo)體設(shè)計(jì)公司。日本企業(yè)集團(tuán)軟銀2016年以320億美元的價(jià)格收購了英國半導(dǎo)體公司ARM，我國的私募股權(quán)公司Canyon Bridge2017年以5.5億英鎊（約6.16億美元）的價(jià)格收購了英國半導(dǎo)體設(shè)計(jì)公司Imagination Technologies。