2021年，信息技術發展突飛猛進。人工智能、大數據、開源、虛擬現實（VR）、增強現實（AR）……每個領域的發展幾乎都可圈可點。
在人工智能領域，人工智能的語言大模型、圖文大模型乃至多模態大模型的基本能力已得到了充分展現。例如，阿里巴巴達摩院公布多模態大模型M6最新進展，參數從萬億躍遷至10萬億；鵬城實驗室與百度聯合發布全球首個知識增強千億大模型——鵬城—百度·文心，參數規模達到2600億。
不僅如此，人工智能與其他科學領域的交叉融合也擦出火花。在《科學》近日公布的2021年度科學突破榜單上，AlphaFold和RoseTTA-fold兩種基于人工智能預測蛋白質結構的技術位列榜首。
在人機交互領域，扎克伯格將Facebook公司更名為“Meta”時，特斯拉和SpaceX首席執行官埃隆·馬斯克則將注意力放在腦機接口上。馬斯克認為腦機接口裝置將更有可能改變世界，幫助四肢癱瘓或有身體缺陷的人更好地生活和工作，“復雜的腦機接口裝置可以讓你完全沉浸在虛擬現實中”。此外，今年5月，斯坦福大學開發出一套皮質內腦機接口系統，可以從運動皮層的神經活動中解碼癱瘓患者想象中的手寫動作，并將其轉換為文本。
在超算領域，最值得一提的是，今年11月，我國超算應用團隊憑借“超大規模量子隨機電路實時模擬”成果斬獲國際高性能計算應用領域的最高獎項“戈登貝爾獎”。
在開源方面，RISC-V開源指令集及其生態快速崛起；由華為公司牽頭，中國科學院軟件研究所、麒麟軟件等參與的openEuler操作系統開源社區業已匯聚了7000名活躍開發者，完成8000多個自主維護的開源軟件包，催生了10多家廠商的商業發行版……
回望2021年，信息技術版邀請業內專家梳理上述四個領域的發展脈絡，展望未來發展趨勢。
作者 張雙虎
AlphaFold或是2021年人工智能（AI）領域的“一哥”。
近日，《科學》雜志公布了 2021 年度科學突破榜單，AlphaFold 和 RoseTTA-fold 兩種基于人工智能預測蛋白質結構的技術位列榜首。
此前幾天，由中國工程院院刊評選的“2021全球十大工程成就（近5年全球實踐驗證有效、有全球影響力的工程科學和技術重大成果）”中，AlphaGo和AlphaFold亦榜上有名。
在接受《中國科學報》采訪時，數位專家回望今年人工智能領域取得的成就時，均談到了AlphaFold。
“面向科學發現的AlphaFold和中國正在構建的人工智能發展生態不能不說。” 浙江大學人工智能研究所所長吳飛對《中國科學報》說。
中科院自動化研究所模式識別國家重點實驗室研究員王金橋則提名“用AI進行新冠診斷”“人工智能與生物、制藥、材料等科學融合（AI for Science）”和“三模態大模型紫東太初”。
在醫學領域，AI識別咳嗽聲早已用于肺炎、哮喘、阿爾茨海默氏癥等疾病檢測。美國麻省理工學院研究人員研發出可以通過分析咳嗽錄音識別新冠患者的AI模型，識別出新冠患者咳嗽的準確率為98.5％，其中識別無癥狀感染者的準確度高達100％。日前，有報道稱該模型已用于識別奧密克戎病毒。
“紫東太初首次實現了圖—文—音語義統一表達，兼具跨模態理解和生成能力。” 王金橋說，“目前與新華社共同發布的‘全媒體多模態大模型研發計劃’，實現對全媒體數據理解與生成的統一建模，打造全棧國產化媒體人工智能平臺，已 探索 性地應用于紡織業和 汽車 行業質檢等場景。”
12月7日， 科技 部官網公布3份函件，支持哈爾濱、沈陽、鄭州3地建設國家新一代人工智能創新發展試驗區。至此，我國已經有18個國家新一代人工智能創新發展試驗區，這將引領帶動中國人工智能創新發展。
“我國正在推動人工智能生態發展，構建良好生態。”吳飛說，“目前已有15個國家新一代人工智能開發創新平臺、18個國家新一代人工智能創新發展試驗區、8個人工智能創新應用先導區和高等學校設置的人工智能本科專業和交叉學科等人才培養載體。”
“一是大模型，二是人工智能和基礎學科的結合。”孫茂松對《中國科學報》說，“語言大模型、圖文大模型乃至多模態大模型的基本能力已得到了充分展現，確定了它作為智能信息處理基礎軟設施的地位。同時，它并非簡單地擴大規模，而是對數字資源整合能力和計算能力都提出了挑戰。雖然它的局限性也很明顯，但它所表現出的某些‘奇特’性質（如少樣本學習、深度雙下降、基于提示的任務調整等），使學者產生了超大參數規模或會引發質變的期待，從而為新的突破埋下了伏筆。”
今年，人工智能領域從“大煉模型”走向“煉大模型”階段，從千億量級到萬億量級，在大模型領域，似乎沒有最大，只有更大。
3月，北京智源人工智能研究院發布我國首個超大規模人工智能模型“悟道1.0”。6月，智源就改寫了自己的紀錄，發布悟道2.0，參數規模達到1.75萬億；9月,浪潮人工智能研究院推出了中文巨量語言模型——源 1.0，參數量達2457億；11 月，阿里巴巴達摩院公布多模態大模型 M6 最新進展，參數從萬億躍遷至 10 萬億；12月，鵬城實驗室與百度聯合發布全球首個知識增強千億大模型——鵬城—百度·文心，參數規模達到2600億。
與此相應，最近快手和蘇黎世聯邦理工學院提出了一個新的推薦系統Persia，最高支持100萬億級參數的模型訓練。
另一方面，人工智能在基礎學科領域不斷攻城略地。
7月，DeepMind公司人工智能程序Alphafold2研究成果又登頂《自然》，在結構生物學研究領域，人工智能或帶領生物學、醫學和藥學挺進新天地；11月，美國南加利福尼亞大學研究人員通過腦機連接設備，讓猴子玩 游戲 和跑步機，從而進行神經活動數據研究；12月，DeepMind開發的機器學習框架，已幫助人們發現了純數學領域的兩個新猜想，展示了機器學習支持數學研究的潛力。
“今年人工智能在各行業應用方面也取得不小的成績。”孫茂松說，“人工智能與基礎學科結合已顯示出巨大潛力，發表了多篇頂級論文，已展露出某種較強的趨勢性，即‘人工智能+基礎科學’大有可為。”
作者 張雙虎
腦機接口、AR眼鏡、智能語音、肌電手環、隔空手勢識別……2021年，從基礎研究到應用落地，人機交互領域風起云涌。不管是智能 健康 、元宇宙，還是自動駕駛領域的蓬勃發展，似乎都表明，人機交互正站在產業化落地的門口。
“我們研發的高通量超柔性神經電極已通過科研臨床倫理審批，即將開展腦機接口人體臨床試驗。”中科院上海微系統所副所長、傳感技術聯合國家重點實驗室副主任陶虎對《中國科學報》說，“安全穩定地大規模采集人體大腦的神經元信號并進行閉環調控，將實現病人感知和運動功能的修復。”
腦機接口技術給患者帶來越來越多的便利。今年5月，斯坦福大學研究人員在《自然》發表封面論文，開發出一套皮質內腦機接口系統，可以從運動皮層的神經活動中解碼癱瘓患者想象中的手寫動作，并將其轉換為文本。借助該系統，受試者（因脊髓損失癱瘓）每分鐘可以打出近百個字符，且自動更正后的離線準確率超過了 99%。
不久前，馬斯克表示，希望明年能在人類身上使用Neuralink 的微芯片裝置。該芯片將用于治療脊髓損傷、帕金森氏癥等腦部疾病和神經系統疾病。目前，相關技術正在等待美國食品藥品監督管理局的批準。
“腦機接口領域已經蓄積了相當的技術，有望成為解決大腦疾病的利器。”陶虎說，“大家都在搶占臨床應用的先機，明年可能會實現技術落地應用。預計兩三年內，國內會出現可媲美馬斯克Neuralink的獨角獸企業。”
“人機交互將引申出新的萬億級市場。”福州大學特聘教授嚴群這句判斷，也囊括了元宇宙這個巨大的市場。
有人稱2021年是“元宇宙元年”，也有人認為這不過是“舊瓶裝新酒”。但無論如何，元宇宙已是今年人機交互領域繞不開的話題。
“元宇宙是虛擬現實、增強現實和混合現實的綜合，它實際上并非新的東西。”北京郵電大學人機交互與認知工程實驗室主任劉偉告訴《中國科學報》，“元宇宙是現實世界和虛擬世界跨越未來的發展方向，但還有些技術問題未能很好地解決。”
在真實世界里，人機交互問題和人機環境系統的混合問題未能很好地解決。真實世界的人機交互中，不管是輸入、處理還是輸出過程中，客觀數據、主觀信息和知識依然不能完美融合。
劉偉認為，無論真實世界還是虛擬世界，人類和機器決策都有“快決策”和“慢決策”過程。人類決策有時依靠邏輯決策多些，有時直覺決策多些，這種“混合決策”不斷變換，而且很難找到變化規律。這方面的問題機器決策目前還未能解決。
“元宇宙還處在畫餅的前期階段。”劉偉說，“因為它的底層機理沒有解決——人在真實世界里未能完美解決人機交互的問題，帶到元宇宙里同樣不能解決。”
談到人機交互，劉偉認為第二個不能不說的問題是“復雜領域”。
“今年的諾貝爾物理學獎，也給了復雜系統預測氣候變化模型的提出者。”劉偉說，“人機交互也是一個復雜系統，它既包括重復的問題，還包括雜亂的、跨域協同的問題。”
劉偉認為，從智能的角度說，復雜系統包括三個重要組成部分，一是人，二是裝備（人造物），三是環境。這其實是多個事物之間相互作用，交織在一起、既糾纏又重疊的“人機環系統”問題。
“在人機交互中，機器強在處理‘復’的問題，人擅長管‘雜’的事——跨域協同、事物間平衡等。因為人們還沒找到復雜事物的簡單運行規律，所以解決所有智能產品、智能系統問題，要從人、機、環這個系統里找它們的結合、融合和交互點。而且，人要在這個系統中處于主導地位。”
人機交互領域引起劉偉重視的第三個現象，是“人工智能幫數學家發現了一些定律”。“最近，DeepMind研發了一個機器學習框架，能幫助數學家發現新的猜想和定理。”劉偉說，“人工智能是一個基本的數學工具，同時，數學又反映了一些基本規律。如果人工智能可以幫助數學家處理一些數學問題，那么，人們將更好地認識復雜系統的簡單規律，人機交互方面就可能會取得新突破。”
作者 張云泉（中國科學院計算技術研究所研究員）
今年是我國超算應用實現豐收的一年。
11月中旬在美國舉行的全球超算大會（SC21）上，中國超算應用團隊憑借基于一臺神威新系統對量子電路開創性的模擬（“超大規模量子隨機電路實時模擬”），一舉摘得國際上高性能計算應用領域的最高學術獎——“戈登貝爾獎”。
同時，在SC 21大學生超算競賽總決賽上，清華大學超算團隊再次奪得總冠軍，實現SC競賽四連冠。這些大規模應用軟件可擴展性和性能調優方面的成績表明，我國在并行軟件方面的發展方興未艾。
回到超算對產業的驅動來看，我們要重提“算力經濟”一詞。早在2018年，我們提出“算力經濟”概念，認為以超級計算為核心的算力經濟將成為衡量一個地方數字經濟發展程度的代表性指標和新舊動能轉換的主要手段。
綜合近幾年的發展趨勢，我們認為高性能計算當前發展趨勢已充分表明，隨著超算與云計算、大數據、AI的融合創新，算力已成為當前整個數字信息 社會 發展的關鍵，算力經濟已經登上 歷史 舞臺。