文献计量视角下国际算力项目分析

陈晓玲,刘 杨,全志薇,毛 刚,2,罗天琪

(1.吉林省科学技术信息研究所 信息资源中心,长春130000;2.吉林大学 商学院,长春130012)

0 引 言

由于5G、云计算、大数据和人工智能等新一代信息通信进入应用爆发阶段,根据中国信息通信研究院测算,“十三五”时期,我国数字经济年均增长16.6%,对GDP增长贡献率超67%[1-3]。未来“十四五”期间,随着算力和算法的不断提升,在一定程度上将增强数据资源的价值能力和经济效益[4-6]。随着数据的激增,需要与之匹配的算力技术,才能体现数据治理能力的核心,多年来全球在算力技术领域开展了很多科研投入[7]。为贯彻落实“十四五”规划和2035年远景目标纲要提出的“加快数字化发展建设数字中国”,笔者查阅相关文献,在全球科研数据库进行相关主题词检索,对国际算力技术领域科研项目数据集进行统计与分析,挖掘出国际科研投入的国家分布、资助机构、主持机构、优势学科等的发展现状和趋势,为全面推进算力项目的可持继续发展具有重要的借鉴作用。

1 研究对象与方法

数据来源于全球科研项目数据库(http:∥project.llas.ac.cn/),项目信息反映了各国的科技部署、科研实力、研究重点的变化和科技创新的轨迹[8-10]。为保证研究对象的精确性和完整性,参考国内外相关的研究文献,最终确定检索策略是项目数据库中标题和摘要包含以下检索词的数据,超级计算OR智慧计算OR计算中心OR算力OR计算能力OR计算力OR数据计算OR计算服务OR超算中心OR计算效率OR通用计算力ORAI计算OR云计算渗透度OR虚拟化渗透度ORCPU利用率OR内存利用率OR存储利用率OR科学计算OR终端计算OR计算力指数OR边缘计算OR量子计算OR supercomputing OR super computing OR smart computing OR computing center OR calculation power OR computing power OR data calculation OR compute service OR computing service OR computational services OR calculation power OR computing force OR capacity of calculation OR computing efficiency OR computational efficiency OR penetration of cloud computing OR virtualization penetration OR CPU utilization OR memory utilization OR computational power OR edge computing OR quantum computer OR scientific computing OR scientific Computation OR terminal computing,年度范围设置为2011-2020年(检索日期为2020年4月15日),共检索到相关项目数据6 004条。研究方法以全球科研项目数据库提供的数据分析为主,辅以Excel软件进行数据计算、参数设置,进而分析算力技术发展的前沿和态势,为数据经济下算力发展提供研究思路和理论支撑[11-15]。

2 国际算力科研项目发展趋势分析

2.1 总体趋势分析

从科研项目资助年度分布(见图1)可以看出,算力技术领域的科研项目数按资助年度呈波动分布,2011-2015年“十二五”期间科研立项呈快速上升趋势,在2015年达到了近十年的峰值815项;自2016年“十三五”期间呈缓慢下降趋势,科研项目数维持在500~700之间,2019年项目数最低488项。基于近10年的发展趋势,可以预计,“十四”五期间科研项目呈回缓上升的趋势。

图1 国际算力技术领域项目资助年度分布图Fig.1 Annual distribution chart of international computing technology project support

2.2 主要参与国家地区分析

算力技术领域的科研项目数按所属国家地区划分(见图2),排名前3的主要参与国家地区是美国、中国和欧盟,美国的科研项目数最多有3 285项,占比达到54.71%,遥遥领先于其他国家,虽然我国科研项目数以1 537项位列第2,但占比仅为25.60%,与美国还有明显差距。国际算力技术领域项目主要参与国家的项目数排名依次如下:美国、中国、欧盟、巴西、德国、英国、瑞士、俄罗斯、法国及澳大利亚。

图2 国际算力技术领域项目主要参与国家分布图Fig.2 Distribution of major participating countries in international computing technology projects

美国的算力技术领域科研项目从2011-2020年项目数分别为278、312、268、332、335、356、421、399、322、262项;项目主要资助机构是美国的国家科学基金会(US-NSF)2 783项、国家卫生研究院(USNIH)321项、能源部(US-DOE)168项;项目优势学科是信息科学1 505项,占比达到45.81%;主要主持机构是美国伊利诺伊大学香槟分校(University of Illionis at Urbana-Champaign)89项和德克萨斯大学奥斯汀分校(University of Texas at Austin)78项。

2.3 主要资助机构分析

算力技术领域的科研项目数按资助机构划分(见表1),美国国家科学基金会和我国国家自然科学基金会的资助项目数最多,共4 250项,占总项目数的70.79%,其中我国国家自然科学基金和广东省科技计划共资助1 495项,占总项目数的24.90%。从主要资助机构的所属国家可以看出,英国资助机构最多,有4个资助机构即工程与自然科学研究理事会(UK-EPSRC)35项、“创新英国”项目(UK-InnovateUK)25项、生物技术与生命科学研究理事会(UK-BBSRC)12项和经济与社会研究理事会(UK-ESRC)12项,其次美国有3个资助机构即国家科学基金会(US-NSF)2783项、国家卫生研究院(US-NIH)321项和能源部(US-DOE)168项。

表1 国际算力技术领域项目主要资助机构统计表Tab.1 Statistics of major funding institutions for International computing technology projects

2.4 主要主持机构分析

算力技术领域的科研项目数按主持机构统计(见表2),排名前20的主要主持机构有18所机构是美国的高等院校和科研机构,共主持科研项目834项,占总项目数13.90%,我国有2所高等院校清华大学和中山大学,共主持科研项目92项。

表2 国际算力技术领域项目主要主持机构统计表Tab.2 Statistical table of main host organizations of international computing technology projects

(续表2)

2.5 优势学科主题分析

算力技术领域的科研项目数按学科主题统计(见图3),优势学科主题是信息科学的项目数最多2 413项,占总项目数的40.19%,工程与技术、数学的项目数也都超过了600项。美国在信息科学1 505项、工程与技术424项、医学科学354项等领域的科研项目最多;中国在信息科学735项、数学199项、工程与技术170项等领域的科研项目最多。数据说明国际算力技术领域的优势学科主题集中在信息科学领域。

图3 国际算力技术领域项目优势学科主题分布Fig.3 Topic distribution of dominant disciplines in international computing technology projects

3 我国算力技术领域科研项目发展方向分析

通过分析科研项目中项目国别(PC)字段(见图4),共获得中国科研项目1 537项,其中2015年项目数最多(358项),自2011-2016年的项目数量处于100~400项之间,自2017年之后出现断崖式下降,2018开始缓慢上升,至2020年维持在79项,我国算力技术领域科研项目与国际总体趋势相同。数据说明:近10年算力技术领域的我国科研立项占国际科研立项的25.60%(1 537/6 004),约四分之一的比例。由于2015年人工智能在国内的兴起,发现人工智能的核心是算法、算力和数据,有了强大的算力支撑,才能加快数字经济的发展。其中2015年科研项目358项都是国家自然科学基金,优势学科为信息科学,共195项,位列前3的主持机构是国防科技大学、清华大学和浙江大学,分别获得13项、11项和11项。

图4 我国算力技术领域项目年度分布图Fig.4 Annual distribution of China‘s computing technology projects

3.1 资助机构

我国算力技术领域的科研项目资助机构主要来自于国家和地方的自然科学基金支持,其中国家自然科学基金立项数最多(1 467项),占我国的95.45%(见表3),地方的资助机构的项目59项,仅占我国的3.84%。为进一步分析国家自然科学基金项目的研究趋势及热点,针对国家自然科学基金1 467项进行数据分析,2011-2010年分别资助立项为167、215、142、279、358、159、16、25、44、62项;优势学科排名前4位是信息科学693项、数学199项、工程与技术165项和物理学101等;主要承担机构排名前5位是国防科技大学56项、清华大学55项、电子科技大学27项、浙江大学27项、中山大学27项等;从负责科研项目数量看出,浙江大学的王浩华承担了4项、武汉大学的袁志勇承担了3项;华中科技大学的刘方明承担了3项。

表3 我国算力技术领域项目主要资助机构统计表Tab.3 Statistical table of main funding institutions in the field of computing power technology in China

3.2 主要机构

为进一步了解我国主要参与研究机构实力,对我国项目主持机构统计分析能揭示其研究竞争力(见表4、图5),清华大学59项、中国人民解放军国防科学技术大学57项和中山大学33项具有较高的地位和影响力,在排名前15的主持机构中除北京应用物理与计算数据研究所、中国科学院计算技术研究所2个科研院所外,有13个高等院校,是我国算力技术领域的科研核心中坚力量。清华大学在2014年科研项目数17项最多,国家自然科学基金项目立项55项,在信息科学和工程与技术学科分别获得29项和13项,清华大学的桂良进、李丹、翟季冬、金奇奂作为项目负责人都分别有科研项目2项。中国人民解放军国防科学技术大学在2011年和2015年科研项目数均为13项最多,国家自然科学基金项目立项56项,在信息科学获得47项,中国人民解放军国防科学技术大学的褚瑞作为项目负责人均有科研项目2项。从主要主持机构所属地区看,主要分布在北京142项、广东54项、湖北46项和陕西44项。

表4 我国算力技术领域项目主要主持机构统计表Tab.4 Statistical table of main host organizations in the field of computing power technology in China

图5 我国算力技术领域项目主要主持机构分布图Fig.5 Distribution map of main project hosting organizations in the field of computing power technology in China

3.3 优势学科

通过对科研项目的学科主题统计分析(见图6),能揭示我国科研项目资助研究中的学科分布特点,发现我国的信息科学、数学、工程与技术研究实力处于较高水平,与国际科研项目排名前三的学科一致。在信息科学、数学、工程与技术学科技的科研立项占我国科研项目的71.83%。

图6 我国算力技术领域项目优势学科主题分布Fig.6 Distribution chart of subject subject of project advantage in China‘s computing technology field

3.4 核心负责人

我国算力技术领域的科研项目负责人(见表5),其中北京6人、广东4人、湖北3人等地区的科研团队最多。

表5 我国算力技术领域项目负责人统计表Tab.5 Statistics of project leaders in the field of computing power technology in China

1)浙江大学的王浩华主要开展了2012-2015年国家自然科学基金面上项目“超导量子器件中关于量子计算”、“电路量子电动力学和退相干的研究”、2013-2015年国家自然科学基金优秀青年科学基金项目“超导量子计算”、2025-2019年国家自然科学基金重点项目“适合容错量子计算的高性能超导量子比特的研制与调控”、2018-2022年国家自然科学基金杰出青年科学基金“超导量子计算和量子模拟”,主要科研方向是关于量子计算和超导量子计算。

2)武汉大学的袁志勇主要为国家自然科学基金面上项目2011年“虚拟脑垂体瘤手术仿真中的物理建模关键问题研究”、2013年“三维组织压缩感知与交互式物理仿真方法研究”、2014-2017年“虚拟手术仿真中多模态耦合视触觉反馈关键问题研究”。

3)中山大学的李绿周主要2012-2014年国家自然科学基金青年科学基金项目“量子计算模型相关问题的研究”、2015-2018年国家自然科学基金面上项目“经典-量子协同计算:形式化模型、计算复杂性与模型检测”、2020年广东省科技计划自然科学基金杰出青年项目“量子计算模型与算法的研究”。

4)华中科技大学的刘方明主要科研项目为2012-2015年国家自然科学基金面上项目“停放车辆辅助的面向城市环境车载自组织网络通信系统的模型与算法研究”、2014-2017年国家自然科学基金面上项目“面向云计算性能保证的多租户数据中心网络带宽分配与最优性价比计价体系研究”、2018-2020年国家自然科学基金国际(地区)合作与交流项目“边缘计算基础理论与关键技术”。

4 结 语

基于全球科研项目数据库的科研立项数据统计与分析,国际和我国算力技术的科研投入对比分析发现:1)在总体趋势上,近10年算力技术的科研投入的立项数量国际和我国的总体趋势保持一致,2011-2015年处于波动式上升趋势,都是在2015年达到了峰值,2016-2017年出现快速下降,2018年以后出现回缓式上升;2)在国家分布上,美国、中国和欧盟是国际算力科研的主要参与国家;3)在资助机构类型上,主要是以美国的国家科学基金会和我国国家自然科学基金为主,占比达70.79%,说明美国和我国在国家层自然科学发展战略规划给予了高度的支撑和技术布局;4)在优势学科上,国际和我国的算力科研投入都是以信息科学学科领域为主,其次重点学科领域为数学、工程与技术、物理学等;5)美国伊利诺伊大学香槟分校是主要研究机构;6)我国自2017年以后算力科研投入快速增长,清华大学、中国人民解放军国防科学技术大学和中山大学具有较高的学术影响力,北京地区拥有6个核心研究团队,浙江大学的王浩华开展相关研究最多,其中主要科研方向是量子计算和超导量子计算。