自立可控抗恶劣情形计算技能及应用的研究成长与趋势_技巧_恶劣

1 弁言

在十九大报告中强调指出要加快推进国家自主可控和军民领悟计策，构建安全可控的信息技能体系，在多少关键领域必须实现安全可靠和自主可控。
抗恶劣环境打算技能与国民经济关键领域尤其密切干系，其技能发展和运用将在某种程度上表示根本研究水平和综合集成能力，该领域科研职员同时担负着国家任务和历史义务。
近期美国商务部发布对复兴通讯零部件、商品、软件和技能的出口禁令风波，无疑再次敲响了警钟。
近年来，抗恶劣环境技能的内涵深化与拓展的研讨日趋生动，对恶劣环境的理解不尽同等。
但一个基本的共识是：环境空间要素的内涵从传统的振动、冲击、高低温、湿润、沙尘、盐雾、霉菌等分外物理环境，向电磁空间、网络空间、太空空间、深海空间等多维度空间拓展；抗恶劣环境打算，即采纳综合性技能手段，办理多维度条件（资源）受限环境下的打算与运用问题。
抗恶劣环境打算技能，是指将恶劣环境下公用异构的打算、存储、传输、显控等国产硬件设备和根本做事软件，按照成熟的技能和标准进行有机集成，形成的“逻辑大打算机”，作为恶劣环境下公共信息根本举动步伐平台，支撑分外行业和分外运用的运行；其运用范围从最初的野外勘探、海上作业、高原、军事等分外领域，逐渐拓展到通信、汽车、工业掌握、能源、交通、聪慧社会等国民经济各个行业和新兴家当。

近年来，抗恶劣环境打算技能的研究和运用呈现出三个方面的特点和趋势。
一是与云打算、大数据、深度学习、物联网、人工智能、北斗定位、卫星互联网、5G通信等新一代信息技能和家当形态同步发展，跨专业跨学科深度领悟的特点更加突出；二是全面涉及国家根本培植方案、国家信息安全等干系主要运用领域，作为综合性根本信息技能的计策支撑浸染更加凸显；三是相符国家自主可控和军民领悟的顶层设计哀求，在目前繁芜严厉的中美科技与家当竞争背景下，立足核心根本技能的自主可控自主创新的寻衅和形势更加紧迫严厉。
因此，开展和加强自主可控抗恶劣环境打算技能与运用的研究具有十分主要的意义。
未来，自主可控抗恶劣新型打算技能将向智能化、无人化、轻静化、高性能、高可靠、低功耗等多元化方向发展。
随着移动云打算、海上物联网、无人平台、微电子网电空间、工业掌握的迅猛发展，抗恶劣环境打算技能正逐渐渗透到地球深海大洋、南北两极、外太空等多个领域和区域。

自主可控抗恶劣环境打算技能及运用体系简图如图1所示，底层属于核心共性根本技能，中间层属于智能运用技能，上层是恶劣环境下的范例运用。
个中，抗恶劣环境下的各种范例运用，依赖于多个智能运用技能的支撑浸染，而智能运用技能则依赖多个共性根本技能的领悟。
伴随着核心共性根本技能的发展和深度领悟，催生了一系列智能运用技能的进步，并为各种领域和行业的运用做事。
我国在核心共性技能研究领域经历了30余年持续的探索，从国家重点研发操持到科技部最新发布的国家技能创新事情指引，都勾引着核心共性技能向更加专业化和高效的方向发展。
自主可控抗恶劣环境打算技能的技能体系紧张表示在根本硬件设计技能、根本软件设计技能、打算机工程与六性设计技能、测试验证技能、安全设计技能以及信息智能处理技能等方面。
个中，根本软硬件设计技能与打算机工程与六性设计技能的领悟，增强了对恶劣环境下范例运用的支撑浸染。
同时，在自主可控新形势和新目标的驱动下，自主可控技能将融入到根本软硬件设计、安全设计等核心共性根本技能中，全面提升我国核心技能的自主可控能力。
本报告选取了打算机体系构造设计、根本软硬件设计、打算机工程与六性设计、安全设计以及信息智能处理技能的多少核心共性技能进行国内外研究现状的剖析。
在范例运用方面，选取了属于工业领域抗恶劣打算运用的工业物联网、属于陆地领域抗恶劣打算运用的地面无人指挥平台、属于海洋领域抗恶劣打算运用的海上精确导航定位平台和深海空间站云打算平台共四个恶劣环境下的运用，对其运用进展情形进行剖析。

图1 抗恶劣环境打算技能与运用体系图

综上所述，在新时期、新形势、新需求、新技能的牵引和推动下，抗恶劣环境打算技能正处于自主可控的快速发展窗口期，通过跨专业跨学科的领悟创新和务实安全的运用创新，逐步实现从“芯”到“平台”全方位根本核心技能和运用的自主可控，构建安全可信的信息技能与家当生态环境，并推进自主可控抗恶劣环境打算技能及运用的超过式发展。
本报告旨在根据国家计策和家当方案的辅导思想和计策目标，以自主可控技能体系为着眼点和立足点，选取多少抗恶劣环境核心共性根本技能和抗恶劣环境范例运用进行国内外研究现状和发展趋势的剖析，进而对国内外的研究进展进行比较，对其发展趋势进行总结展望。

2 国内外研究进展比较

通过对自主可控抗恶劣环境打算技能及运用的国内外研究现状及海内自主可控研究进展的剖析，在抗恶劣环境打算机体系构造设计、根本软硬件设计、打算机工程设计、传感及交互设计、测试性可靠性及保障性设计、工控安全设计等共性根本技能方面，国内外的研究进展各不相同，研究方向也略有不同。
整体上，国外的抗恶劣环境核心共性根本技能研究更前辈、更成体系，而海内的干系研究整体起步较晚，间隔国际领先水平有一定的差距，但是，在自主可控的技能运用进展方面，海内也有领先的技能和产品，例如中国的超级打算机“神威·太湖之光”，以及由中船重工集团公司研制的中国首艘深海载人潜水器“蛟龙”号等都表明了我国对自主可控技能深入研究的重视和决心。
国内外研究进展比拟如表1所示。

表1国内外研究进展比拟

比拟内容

海内研究进展

国外研究进展

备注

打算机体系构造设计

容错体系以冗余架构为主；异构领悟架构以CPU少量大核+浩瀚小核、CPU+FPGA为代表

支持处理器锁步、冗余等容错技能；异构领悟架构已形成Cell、APU、MIC、Zynq等多种产品

海内紧张运用于军事领域

根本软硬件设计

自主可控根本软硬件产品谱系趋于完备，产品在性能、可靠性和环境适应性方面有待加强，自主可控生态体系缺失落，产品商业化程度不足。

各国都在积极投入培植自主可控的信息技能体系，并取得了打破性进展，但美国仍在环球信息技能体系中保持主导上风

技能手段基本同等，但在技能性能方面与国外还有一定的差距

打算机工程设计

研究的重点方向与国际基本同等，其发展紧张由军工等项目推进

干系技能已经成功运用到打算机硬件设备中，且有成体系的设计技能

海内正针对抗恶劣环境进行工程设计体系化研究，尤其在军事领域有干系政策和经费的支持

传感及交互设计

在运用和产品层面的发展较快，但对付根本核心技能的自主化程度不高，某些核心框架和技能尚需依赖国外现今技能。

对根本软硬件和核心算法架构的研究比较深入，看重平台化发展，市场化程度较高，运用不局限于军事领域。

海内涵军事运用领域有较大的政策支持和发展空间

测试性可靠性及保障性设计

比较国外虽然起步晚，但是近年来由于有国家电子工业部门的支持，陆续开展了系统的研究，且进步较快

美国制订了一系列标准指南，在世界范围内处于领先地位

干系技能在海内航空领域运用较多

工控安全

设计

起步晚，底子薄弱，没有形成威信性的机构，还不能与国际顶尖的研究团队比肩

拥有成熟的威信研究机构

海内跟踪国际

3 发展趋势与展望

自主可控抗恶劣环境打算技能从总体上向智能化、无人化、轻静化、高性能、高可靠、低功耗等多元化方向发展。
本报告对阐述的以上六个核心根本技能的发展趋势总结如下：

（1）打算机体系构造设计技能

抗恶劣环境体系构造目前多在军事领域开展了研究和运用，紧张办理繁芜电磁与辐噪环境、温度与湿度环境、振动与冲击环境下的信息系统可靠性问题。
随着无人化、智能化及物联网设备的发展，空间受限、供电受限、资源受限的恶劣环境对嵌入式打算机体系构造的影响进一步加大，恶劣环境的内涵也已由物理环境进一步延伸至网电信息环境，因此对抗恶劣环境打算机小型化、低功耗、安全性的需求进一步提升。
未来需进一步加强异构领悟架构和动态安全架构的研究，并实现不同抗恶劣环境体系构造在嵌入式打算机中的有机领悟，从而知足未来多样化信息设备对抗恶劣环境的综合需求。

（2）根本软硬件设计技能

云打算、大数据、移动互联、物联网、人工智能等新型运用催生出了多种形态的软硬件产品需求，详细表征为高性能、低功耗、微型化等特性的组合运用，异构领悟与软硬件协同设计是知足此种运用需求的主要方法，在万物智联的时期，运用处景更加繁芜多样，对根本软硬件的多维度需求也将更加显著。
我国信息技能根本家当发展仍比较滞后，需进一步增强自主可控根本研发能力：在DSP、FPGA、射频、光通信芯片、数模转换器/模数转换器等冷门领域补齐短板；提升国产处理器的性能、可靠性及工艺水平，并强化恶劣环境下的适应性设计；构建安全可控的信息技能生态体系，推进国产根本软硬件的深度替代。

（3）打算机工程设计技能

打算机工程设计技能是领悟热、力、电磁、材料与工艺等多学科的综合性设计技能。
随着电子信息技能、掌握技能、新材料新工艺技能的运用，抗恶劣环境打算机朝小型化、轻静化、智能化方向发展，打算机工程设计技能将重点环绕高效散热技能（液冷、微通道散热等）、智能减振技能（磁流变、压电式、电磁式等）、电磁主动防护、轻质导热复合股料和三防工艺技能开展研究。

（4）传感及交互设计技能

目前国家加速推进智能化发展，未来大数据技能、人工智能、多源数据领悟处理、多通道多媒体交互等技能将成为抗恶劣环境打算机传感及交互技能的热点问题，加强国际与商业互助将成为发展的主流。
此外，开展军民领悟，通过整合来自政府、军事部门、商业团体组织和科研单位的传感数据，实现数据的全面、高效利用也是值得重点关注的方向。

（5）测试性可靠性及保障性设计技能

测试性可靠性及保障性技能对自主可控抗恶劣环境打算的功能性能实现具有根本性、全局性的计策地位和浸染，之前在军事领域等恶劣环境运用领域长期采取X86架构打算技能，在打算性能、可用性、可靠性方面得到较大提升的同时，各运用领域均面临着较大的软硬件安全隐患。
为实现抗恶劣环境打算技能自主可控、可持续发展，形成自主式保障体系，须要从体系构造、系统设计、开拓、调试、集成、运行、掩护等各个环节，开展测试性、可靠性和保障性设计等技能研究。

（6）工控安全设计技能

未来我国工控安全设计行业标准逐步完善，家当同盟进一步促进信息安全资源整合。
工信部最新出台的《工业掌握系统信息安全行动操持（2018-2020）》中提出 2020 年前要实现“工控安全管理事情体系”等目标，进一步规范标准体系培植。
我国工控安全研究起步较晚，需大力开展基于大数据剖析和人工智能的动态安全防御体系构造、网络虚拟化安全、打算环境可信增强、多域跨域安全防护、网络自动规复、快速同态加密、网络空间靶场、区块链等关键技能研究，研制运行统一化、安全可视化、处理联动化、决策智能化的工控安全防御体系。

4 结束语

根据工信部提出的加快推进国产自主可控操持、中国制造2025、军民领悟操持以及各部委关于促进新一代人工智能家当发展的方案，全面推进自主可控技能在恶劣环境领域的运用研究至关主要。
因此，在新的形式下，抗恶劣环境打算技能是在相应自主可控发展计策的背景下，通过对各种国产化的材料、工艺设计及条件、微电子技能、打算机技能、以及工程技能等根本技能进行超领悟而产生的跨学科的创新型打算技能。
目前，国内外在打算机体系构造、根本软硬件、工程设计、测试性可靠性及保障性设计、工控安全设计等方面开展了研究，并取得了一批有影响力的成果，促进了各种打算技能在军事、航空、航天、冶金、化工等领域的运用。

对国内外研究进展比较剖析，海内涵核心共性根本技能方面的研究投入和产出比较国外还远远不足，原创性的方法、资源、系统以及产品比较国外还较匮乏。
但是，国家干系政策的大力支持和技能的飞速发展也带来了新的机遇。
因此，进一步提升我国抗恶劣环境打算技能及运用的自主可控能力已成为近期最受关注的研究内容之一，并将对我国产生重大而深远的影响。

致谢

本报告受中国打算学会抗恶劣环境打算机专委会委托撰写。
因韶光及能力所限，报告中对干系进展和趋势的先容难免挂一漏万，敬请示正。
衷心感谢中国打算机学会抗恶劣打算机专委会在选题及编写过程中的建媾和辅导，同时感谢参与本报告撰写、编辑与审校的所有职员。

作者简介

马 中

马中，中船重工第七〇九研究所，研究员，紧张研究方向为打算机系统构造，加固技能等，mazh@public.wh.hb.cn。

陈敬东

陈敬东，中船重工第七〇九研究所，研究员，紧张研究方向为信息工程，物联网等，cjdong27@sina.com。

戴新发

戴新发，中船重工第七〇九研究所，研究员，紧张研究方向为容错技能、虚拟化技能等，daixinfa@sina.com.cn。

代 征

代征，中船重工第七〇九研究所，研究员，紧张研究方向为测试诊断、打算机系统构造等，whdzheng@163.com。

夏 静

夏静，中船重工第七〇九研究所，博士，紧张研究方向为虚拟化技能、并行打算等，673718032@qq.com。

中国打算机学会

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