HiPEAC愿景：打破孤岛，提供下一代计算、人工智能和安全

代表欧洲先进计算研究社区的组织HiPEAC发布了其最新的路线图文件，分析了计算系统的趋势和下一代技术开发的建议。

HiPEAC在其第九份双年度报告中提出的《2023年愿景》在应对日益加剧的地缘政治和环境压力、确定六大技术领先竞争方面给人留下了紧迫感，此外还强调了打破技术和应用开发之间的隔阂的必要性，以获得全球优化所需的整体观点。六大竞赛被描述为“下一个网络”、人工智能、新硬件、网络安全、主权和可持续性的竞赛。

长达234页的《HiPEAC 2023愿景》主编Marc Duranton（来自CEA）告诉embedded.com，在分析技术变革的速度以及行业和社会的全球挑战时，HiPEAC确定了六大种族。最重要的是，不同学科之间需要更好的合作，换句话说，打破开发技术堆栈和应用程序不同部分的团队之间存在的竖井。他说， “在技术领域，变化的速度令人震惊：几乎每周都有人工智能的新突破，量子计算等新技术推动了大规模投资，以及导致工业元宇宙等新范式的技术组合只是其中的一些例子。现在的挑战是要有一个整体的观点，在控制复杂性，例如在人工智能和值得信赖的协调人的帮助下，引导我们进入更高效、更可持续、更值得信赖的计算进化。”

此外，HiPEAC协调员Koen De Bosschere教授（根特大学）表示， “从地缘政治的角度来看，技术越来越被视为一种战略资产，世界不同地区都在争夺领导地位。随着全球供应链面临严重压力，越来越多的世界地区以技术主权为目标，而网络攻击也越来越频繁和激烈。气候变化也越来越明显，这意味着可持续性y终于得到了重视，因此优化工艺以使用更少的原材料和更少的能源现在是一个主要目标。”

利用HiPEAC社区的专业知识，HiPEAC愿景的每一章都致力于不同的领导力竞赛，并以一系列独立的文章为特色，阐述了关键问题，并提出了建议。此外，他们还制定了三项针对不同“种族”的全球建议，如下所示：

六场比赛

争夺“下一个网络”——计算的连续体

互联机器产生的越来越多的数据将提供新的服务。这种与物理世界相连的网络意味着延迟、时间、处理时间和本地化等限制将需要像其他非功能性需求（如成本、能源）一样得到推广。这些涉及人类、机器和物理世界的复杂系统之间的相互作用形成了网络物理系统（CPS）的新维度。

另一个重要因素是一群“数字双胞胎”，它们可以对现实世界的各个部分或新的人工制品进行建模。数字孪生允许对现实世界中不容易访问的变量（例如，不可能放置传感器的地方）或无法处理的变量（如时间：在数字孪生模拟中，时间可以加速、停止或倒退，但这些在现实中都不可能实现）进行操作。数字双胞胎可以预测在某些假设下可能发生的事情，并进行风险评估，从而实现最佳决策。

这一重大的进化飞跃创造了一个无缝连续的前提，从手持设备，到个人、社会和专业领域通往数字世界的真正桥梁，再到资源日益丰富的服务基础设施，这些基础设施承载着无处不在的指挥和控制应用程序，它们从云的所谓边缘一直延伸到云的中心。物联网（边缘设备）和网络物理系统（具有非功能特性）之间的融合是这一转变的核心部分。“计算的连续体”表示这样一个事实，即允许数字服务帮助人类需求的自动化计算将是一个空间，在这个空间中，应用程序将以依赖于各种功能和非功能需求的方式无缝地跨数据、向数据移动并与数据一起移动，包括延迟、隐私、安全和能源。

从这一演变中产生的将是一个“下一个网络”，在这个网络中，可编程链接将把应用程序、服务、事物和人类的数字双胞胎连接到一个迷宫般的互动中，这将产生各种各样的更高层次的服务和应用程序，这些服务和应用是由现有资源的个性化编排产生的。这个新的网络将需要开放的可互操作标准，这将允许数字资源在空间上本地化，并嵌入协作人工智能引擎，这些引擎也可以在边缘运行，而不仅仅是在公司云的最深处。

HiPEAC为欧洲在新网络竞争中处于领先地位提出了五项建议：

人工智能竞赛

出于效率原因，“下一个网络”将需要在数据创建地附近进行智能处理，因此在边缘或内部拥有高效的人工智能系统至关重要。我们正在迈向一个协作人工智能的时代，而不是在（私有）云上运行的“集中式”人工智能。然而，大型语言模型（LLM）已经显示出非常令人惊讶的结果，昨天的大型神经网络现在正在智能手机上运行（例如用于语音识别、翻译）。因此，将这些LLM的技术应用于嵌入式系统将是非常重要的。

HiPEAC Vision 2023建议，欧洲应专注于开发嵌入式人工智能解决方案，以更好地集成/理解物理世界，例如近边缘和边缘设备（如汽车、智能工厂），利用其在网络物理系统和嵌入式系统方面的专业知识。随着需要更少数据或不需要大量标记数据进行学习的新学习技术的发展，这些算法在嵌入式系统或内部部署系统中也会很有意思。欧洲的研究可以集中在不需要大量数据进行学习并且可以在边缘使用的新方法上，以及可以保护隐私的联合学习方法上。

它补充说，欧洲不应该退出“超级模特”的竞争。欧洲的研究人员和工业界需要有足够的计算资源和数据库来开发欧洲的巨型模型（遵循欧洲的规则和道德）并进行实验。欧洲还应该走在将“大型”模型转移到边缘设备的技术前沿，包括工具（修剪网络、使用正确的数据表示（量化）或其他优化技术）、高效算法和具有高性能和低能耗要求的新型边缘硬件。

支持研究和开发有助于识别人工智能表现出的偏见和不当行为的工具也是至关重要的。大型模型（通常基于变压器）显示出有趣的结果，其中夹杂着废话。应该强制执行区分好与坏的解决方案，并策划学习数据库。混合技术（使用显式知识来检查数据驱动的深度神经网络的结果）是一条需要探索的道路。

创新和新硬件（包括量子）的竞争

无论是大型系统（高性能计算（HPC）、云），由于拥有成本的原因，还是嵌入式系统的自主性（更长的电池寿命），都存在着提高能源效率的竞赛。在这场减少计算设备能耗的竞赛中，正在研究几种新的计算范式，如量子计算、神经形态计算、自旋电子学和光子设备。

在这些新的范式中，量子计算今天吸引了大部分注意力。量子计算需要开发新的设备，因为有几种方法可以实现表现出适合量子计算的量子现象的设备。这些工作的核心是材料研究。正在进行的新材料研究将在不久的将来对新计算技术的发展产生深远影响。

量子计算也更新了信息论、复杂性理论、算法开发和计算机体系结构的研究。量子计算和神经形态计算都为信息表示和信息处理提供了新的线索。随着冯·诺依曼体系结构的成功（主要是作为各种加速器的协调器，可能使用不同的技术和信息编码），在更传统的体系结构中嵌入基于新计算范式的体系结构，以及为这些体系结构开发编程模型，正成为一个具有挑战性的研究领域。除了连接新旧设备外，还需要进行研究，以确定如何在计算设备中利用和嵌入基于新材料的设备。

未来的计算设备将是混合系统，每个设备都将处理其特定的计算部分。IC制造工艺需要大量的能源和淡水，由于其有毒废物会给环境带来高压。并非所有集成电路的应用领域都需要最先进的设备；事实上，它们可以用相对较慢的器件来制造，而这些器件是用要求较低的工艺制造的，这主要是因为体积大、器件成本低。

HiPEAC为欧洲在创新和新硬件竞赛中处于领先地位提出了五项建议：

网络安全竞赛

上述所有系统只有在使用安全可靠的情况下才能实际使用。黑客和安全专业人员之间的军备竞赛由来已久。一些国家正在组建网络军队，以保护其基础设施，并对其他国家发动攻击，以便在受到攻击时进行报复，从而引发网络战争。

信息和通信技术的普遍性提供了一个广泛的攻击面，攻击可能在经济上具有破坏性，但也可能对物理世界产生有形甚至致命的影响。尽管取得了一些备受赞誉的进展（如《通用数据保护条例》GDPR），但欧盟在这方面仍有大量工作要做，特别是要维护其主权并成为全球竞争的领导者。

HiPEAC在网络安全竞赛中提出了四项建议：

主权之争

由于保护主义、不稳定的供应链，甚至战争，过去几十年的全球化正在分崩离析。新冠肺炎、乌克兰战争、气候变化和能源危机导致供应链不可靠、生产和运输成本高昂，所有这些都鼓励各国努力实现自给自足。半导体供应链尤其如此，它基本上横跨整个世界，每个国家都拥有这一过程的一部分。

然而，主权不仅仅是在欧洲建厂：它还需要研究、创新、创业生态系统、（风险）资本、原材料、能源和训练有素的劳动力才能取得成功。对于数字主权，不仅需要以硬件主权为目标，还需要以软件主权为目标——即由欧洲所有、不受外国公司和机构控制的软件堆栈。主权并不一定意味着一切都在当地完成；这是关于拥有（良好的）讨价还价的地位。

HiPEAC在主权竞争中提出了四项建议：

可持续发展竞赛

HiPEAC愿景2023指出，人类每年消耗的资源是地球一年所能产生的资源的1.75倍。可持续性意味着我们应该将资源消耗减少到最多一个星球。信息和通信技术的生产具有巨大的生态足迹，应尽可能减少。与此同时，信息和通信技术还可以通过优化具有巨大生态足迹的流程，帮助使世界更加可持续。可持续性意味着我们必须在环境成本和信息和通信技术的好处之间找到一种权衡。

到目前为止，可持续性是21世纪最重要的重大挑战，如果不广泛使用数字技术来有效利用资源，这是不可能的。

HiPEAC在可持续发展竞赛中提出了四项建议：

打破筒仓

HiPEAC观察到，从国家（更强调主权）到个人层面，再到我们自己的“部落”（社交媒体“定义”），各个层面都有“接近”的趋势。这些“部落”之间的紧张局势在各个层面都在加剧，国家之间的贸易（或真实）战争、更极端的政党和社交媒体“战争”就是明证。

这种趋势也存在于技术中，其中存在应用程序竖井和技术竖井

应用程序竖井

通常，应用程序域专门开发自己的堆栈来满足其需求，与其他应用程序域开发的类似堆栈几乎没有或根本没有互操作性。HiPEAC看到了多种解决方案，这些解决方案或多或少具有互操作性，旨在解决类似的问题。

跨应用程序领域的解决方案的互操作性将提高效率，并创造新的协同效应和新的解决方案。例如，电动汽车、家庭和智能电网之间的协同作用将使汽车电池能够在高峰时段为家庭供电，从而减轻电网的压力。这个微不足道的例子（已经在一些地方运行）显示了这三个域之间通信和互操作性的附加值。

一些开源解决方案也可用于提供各种标准之间的互操作性，即使是针对同一应用领域。因此，HiPEAC建议在应用程序域之间进行交换并开发互操作性解决方案。

技术竖井

将技术分组为易于理解和管理的结构是一种自然的趋势。每个结构或多或少可以是独立和自主的，并且只与全局流中的相邻结构通信。管理复杂性的另一种类似方法是具有不同级别的抽象（如在软件或通信层中）。研究和开发活动也有类似的结构。一般来说，每个结构在单独的主题上都取得了相当好的进展，并且该领域已经得到了优化。

然而，局部优化的总和不如全局优化有效。以此为起点，HiPEAC建议打破现有的竖井：

还有许多其他步骤，这些只是为了简单解释而选择的示例。

完整的234页HiPEAC Vision 2023文档可以在此处下载.

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