人工智能硬件发展的国际比较：中国、欧盟和美国

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来源:中国科协创新战略研究院《创新研究报告》

编者按：2019年8月，美国信息技术与创新基金会(Information Technology and Innovation Foundation，ITIF)的数据创新中心发布了《谁会在人工智能角逐中获胜:中国、欧盟或美国》（Who Is Winning the AI Race: China,the EU or the United States?）。该报告通过对人才、科研、开发、应用、数据和硬件六类指标的比较，对中国、欧盟和美国人工智能发展的现状进行测算。本报告对中国、欧盟和美国的六类指标中的硬件指标进行解读，分析半导体销售量、半导体研发支出、设计AI芯片的公司数量、超级计算机数量及该系统的综合性能情况。

一、硬件对于一个国家的AI竞争力至关重要

AI系统依赖于可以每秒执行大量操作的半导体设备（如集成电路）。实际上，作为并行执行数学运算的电路的图形处理单元（GPU）催化了AI发展。此外，诸如超级计算机的技术结合了诸如GPU和中央处理器的处理单元，可以通过大量的计算能力扩展AI系统的功能。例如，研究人员将超级计算机与机器学习技术结合，以模拟气候变化和黑洞合并。

第一，半导体产业薄弱的国家可能容易受到其他国家行动的影响。例如，2018年，美国禁止美国公司向中国大型电信设备制造商中兴通讯提供零件和软件。由于中兴通讯依赖美国公司的半导体设备，导致该公司面临巨大挑战。尽管美国最终解除了禁令，但此事件突出了中国对西方国家技术依赖的问题。2019年，美国禁止美国公司向五个特定的超级计算实体出售芯片，而美国商务部已将华为列入黑名单。

第二，许多专家认为，专门为AI应用（如自动驾驶汽车或人脸识别）设计的AI芯片将优于GPU等成熟技术。结果，诸如苹果、Alphabet和亚马逊的非半导体公司正在设计自己的AI芯片以满足自身特定的需求，这可能会提高其AI系统的性能，从而为它们提升竞争优势。

第三，高性能计算推动了多个领域的突破性发现，而性能最佳的超级计算机的使用为各国提供了比其他国家更快地开发前沿武器系统和应用程序的优势。

二、AI硬件发展的情况

1. 半导体销售量

该指标衡量的是2019年第一季度全球销售量排名前15位的半导体公司的数量。由表1可知，美国全球销售量排名前15位的半导体公司的数量（6家）居首，其次是欧盟（2家公司）和中国（1家公司）。

表1 2019年中国、欧盟和美国半导体销售额排名前15位的公司数量

2. 半导体研究与开发支出

不仅半导体销售额重要，半导体公司的研发支出也很重要，其通常是影响开发最佳芯片的主要因素。该指标衡量的是2017年研发支出排名前10位的半导体公司的数量。美国研发支出排名前10位的半导体公司数量（5家）居首，领先于欧盟和中国（表2）。其中，5家美国公司在研发方面的总支出为240亿美元。

表2 2017年中国、欧盟和美国研发支出前10位的半导体公司数量

3. 设计AI芯片的公司数量

由于一些公司发现开发定制的AI芯片可以改善其AI系统的性能，因此，跟踪设计AI芯片的公司数量也很重要。本报告分析了包括CrunchBase在内的多个数据源，跟踪AI开发芯片的公司数量。由表3可知，美国设计AI芯片的公司数量（55家）多于中国（26家）和欧盟（12家）。每1000万员工中，美国设计AI芯片的公司数量（3家）居首，其次是欧盟（0.5家）和中国（0.3家）。

表3 2019年中国、欧盟和美国设计AI芯片的公司数量

4. 超级计算机数量

该指标检查性能方面排名前500位的超级计算机的数量，即计算机每秒所执行的浮点运算次数。由表4可知，2019年，在超级计算机500强中，中国拥有的超级计算机数量（219个）超过美国（116个）和欧盟（92个）。每1000万员工中，美国的超级计算机的数量（7个）多于欧盟（4个）和中国（3个）。

表4 2019年中国、欧盟和美国排名前500位的超级计算机数量

5. 超级计算机综合系统性能

评估国家或地区的另一种方法是衡量排名前500位的超级计算机的综合系统性能。图1显示了2009—2019年，在全球前500强超级计算机中，美国的综合系统性能占比最高（38％），多于中国（30％）和欧盟（17％）。每10000名工人中，美国的超级计算机的综合系统性能（36 TFLOPs/s）领先于欧盟（10 TFLOPs/s）和中国（6 TFLOPs/s）。

图1 2009—2019年中国、欧盟和美国排名前500位的超级计算机的总体性能

三、总结

1. 美国仍遥遥领先，我国赶超欧盟

由数据分析显示，美国在硬件方面在世界上仍然领先，但中国在超级计算机数量方面超过了美国，在AI半导体方面正在崛起，欧盟在硬件方面落后。

2. 美国在超级计算机方面地位不牢固

世界最快的10台超级计算机中有6台在美国，其中最快的两台超级计算机（Summit和Sierra）在美国能源部（DOE）的站点。此外，世界500强超级计算机中96％的处理器是由美国英特尔公司开发，133台超级计算机的加速器或协处理器中，98％来自美国的Nvidia及英特尔公司。

但是，我国已经赶超美国成为超级计算机的全球领导者。2010年6月，全球500台性能最佳的超级计算机中有282台在美国。然而，在2018年，美国的超级计算机只有109台位居世界500强，为历史最低水平。此外，美国和中国都在开发百亿亿次计算机，它们每秒可以执行五百亿次计算。

3. 我国的人工智能芯片正在崛起

尽管我国在超级计算机方面与美国处于竞争状态，但其在半导体领域已经开始显示出与美国差距的缩小。在过去的两年中，我国数家AI芯片初创企业已获得至少1亿美元的资金。一些专家认为，与在半导体市场上相比，我国在人工智能芯片市场上的竞争优势更大。例如，为机器人开发人工智能芯片的Horizon Robotics在2018年的B轮融资中获得了6亿美元的投资，该轮融资由世界领先的韩国半导体公司SK Hynix牵头。同样，最初开发用于比特币采矿的芯片的比特大陆，已经开发了一种人工智能芯片，并在2017—2018年获得了近7.65亿美元的资金。

此外，包括百度、腾讯、阿里巴巴和华为在内的几家领先的技术公司正在开发AI优化的集成电路，美国的大型技术公司也正在这样做。华为在设计方面表现出了非凡的实力，如设计处理器中晶体管的尺寸的技术。较小的晶体管比较大的晶体管具有更高的使用功率，同时可以增加处理器中晶体管的潜在数量，从而使其产品的潜在功能更强大。

近十年来，许多西方国家的半导体公司一直在设计处理器和培养工程人才。我国在AI芯片市场上最具竞争力的是开发专门的AI芯片，它对AI的重要性比在Nvidia主导下的GPU更为重要。美国公司也在开发专门的AI芯片，如Google的Tensor处理单元和Luminous Computing的光学微芯片（通过不同颜色的光来移动数据）。我国的AI芯片初创企业的发展和芯片设计的进步表明，我国将有能力在半导体领域缩小与美国的差距。

4. 欧盟在开发先进的人工智能芯片方面相对滞后

首先，没有一家欧盟半导体公司在研发支出上排名进入世界前十。其次，一些最具创新性的芯片设计来自美国和中国公司，如Alphabet、Facebook和百度。由于欧洲分散的市场和竞争法规，欧盟的数字初创企业一直很难扩大规模。最后，非欧盟公司正在收购欧洲半导体设计公司。日本企业集团软银2016年以320亿美元的价格收购了英国半导体公司ARM，我国的私募股权公司Canyon Bridge2017年以5.5亿英镑（约6.16亿美元）的价格收购了英国半导体设计公司Imagination Technologies。

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