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原标题:万兆的“强项”和千兆的“软肋”

问:阿里、华为、百度、腾讯“苏州论剑”,四巨头量子计算进展如何?

日前,华为在HUAWEI CONNECT 2019发布了HUAWEI HiQ
2.0量子计算软件解决方案,对外提供量子计算高性能模拟服务。相比于HiQ
1.0,2.0版本推出业界首个一站式量子化学应用云服务及对应的软件包 HiQ
Fermion,并新增云端脉冲优化设计服务及对应的HiQ
Pulse软件包,大幅提升了量子计算模拟器的性能,拓展了量子计算编程框架的多个功能,构建了业界领先的量子计算编程框架和模拟器云服务。

“5G+Wi-Fi
6”珠联璧合,重新定义了无线网络;“VR/AR+4K”持续发展,催生了更多的高带宽应用。技术革命的浪潮已经开启,翻倍的传输速率、海量的数据接入和复杂的网络管理,给园区网络带来了前所未有的“压力”。

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本次发布的技术涵盖了从底层硬件控制优化、量子编程框架和模拟器性能优化到量子化学软件开发,给用户、开发者提供全栈量子编程体验。

在Wi-Fi
6普及、IoT应用爆发的“前夜”,传统的千兆组网方式,已经难以满足企业对“高速率、低时延、大容量”的网络需求。为此,在经历了“百兆光纤”、“千兆到桌面”之后,园区网络正式步入了万兆时代。

近日,Nature 发表的一篇专题文章显示,2017 和 2018
年量子公司获得的私人资金至少达 4.5 亿美元,是前两年披露的 1.04
亿美元的四倍多。中国也将量子技术作为一项“超级工程”的重点,对其进行了大力投资。

同时,HiQ模拟器已经在Github上开源发布,希望同广大开发者和用户共同推进量子计算软件的开源生态。

说一千道一万,不如“升千到万”

量子计算主要利用量子力学的两大特性——量子叠加和量子纠缠来获得比经典计算在性能上更大的提升,目前在一些计算问题上,量子计算已经超越了经典计算的计算能力。但量子力学的特殊性质也为设计量子算法带来了巨大的挑战。

量子化学是业界认为有望在近期量子计算芯片上得以应用的领域。华为HiQ
2.0推出业界首个一站式VQE量子化学模拟云服务,助力量子化学应用研究。通过华为自研的算法优化、线路压缩等核心技术,HiQ
Fermion可实现量子电路参数降低80%,线路深度压缩70%,运行速度提高1600倍以上,并在华为云上实现了目前业界最大规模的VQE量子化学模拟。华为推出的HiQ量子化学模拟云服务,将助力量子计算开发者在药物、能源、材料等领域拓展应用场景。

回顾过去十几年,万兆以太网技术无疑走了很长的一段路。2002年7月,以太网IEEE
802.3ae标准正式发布,其原本的期望是相比于千兆网络,将带宽扩大10倍,成本只增加3~4倍。然而,在部署阶段我们却发现,“成本”却是这项技术最大的绊脚石,极大地限制了它的发展和应用。

近年来,包括谷歌、IBM、英特尔、阿里、腾讯、百度、华为在内的公司都相继建立了量子计算实验室或者研究所专门发展量子计算技术。那么从理论到实践,这些企业的量子计算研发究竟进展如何?

实现量子化学等潜在量子计算应用,一方面需要设计更好的量子芯片,另一方面,需要开发速度更快、精度更好、噪声更小的可拓展量子测控系统。为此,HiQ
2.0新增量子芯片调控模块HiQ
Pulse,包含了量子最优控制算法和脉冲库,为量子计算开发者提供云端快速优化设计的调控解决方案。相对于主流开源软件,HiQ
Pulse算法库内的优化控制算法实现了大幅度的性能提升。例如,GRAPE算法相对业界常用的开源软件实现了至少3倍的速度提升,内存开销减少两个数量级。配合在线编程和简易的图形化界面,量子优化控制模块HiQ
Pulse将极大的促进量子计算开发者在近期中等规模含噪量子计算体系上,研发更高保真度的量子门操作方案,探索各种量子算法的实现以及协同量子软硬件系统设计。

随后,在2006年,基于100米双绞线应用的万兆以太网新标准:10GBase-T(802.3an-2006)被建立。到了2010年,40G/100G标准(802.3ba-2010)的确定,真正标志着万兆以太网技术的成熟。伴随着万兆模块和接口成本逐年降低,端口发货量逐年提升,“万兆为王”的时代已经来临!

在正在苏州举行的 CNCC2019
大会上,来自腾讯、百度、华为和阿里巴巴的“四巨头”量子研究负责人齐聚《量子计算:从理论到实践》分论坛,来了一场“苏州论剑”,四位量子大牛共同探讨国内量子计算的发展现状和未来发展趋势。
腾讯量子实验室创建者及负责人张胜誉以《量子计算的发展之路》为题,探讨了量子计算可以应用在哪些领域、如何设计好量子计算的发展路径等等重要问题。他指出了目前量子用于机器学习的三大挑战,并介绍了一些腾讯量子实验室在量子计算相关的算法、数据库和软件的探索。

量子电路模拟和量子编程框架是量子软件开发、算法探索和硬件设计等的重要使能工具,对于孵化量子计算应用非常关键。HiQ
2.0在量子电路模拟器模块新增噪声模拟、高性能张量网络优化算法的全振幅模拟器和多振幅模拟器,并优化了单振幅模拟器,性能提升8倍以上。量子编程框架新增mapper功能,升级编程GUI,上线BlockUI功能,以方便开发者使用。这些新特性和性能改进,将助力硬件和算法研究人员在模拟器上模拟真实的含噪量子计算过程,加速软硬件协同开发。

“万兆为王”,这个耳熟能详的名词,早在2012年就被人们提出,并一度成为时下最热门的议题。彼时,由于万兆网络设备价格高昂,以致用户对“升千到万”的想法一度被搁置。时隔七年的今天,在经历了长期的技术积淀,高带宽应用井喷出现的情况下,“万兆园区网”又一次登上了“历史舞台”。

张胜誉目前还是香港中文大学终身教授。他本科毕业于复旦大学数学系,硕士毕业于清华大学计算机系,师从应明生教授,博士毕业于普林斯顿大学计算机系,师从姚期智教授。

2019年华为全联接(HUAWEI
Connect)大会上,华为公司发布了一系列基于All-Flash架构的云存储产品,正式向全球用户提供全云规模的极致性能云存储服务。在这些炫目产品的背后是华为公司多年的技术积累,其中一项黑科技即是全面超越RoCE网络的下一代低时延网络技术,HUAWEI
CurreNET。

在Wi-Fi 6跨越技术裂谷,迎来全面部署阶段之际,每个Wi-Fi 6
AP的接入带宽均升级为2Gbps以上(2.5G/5G/10G)。根据DellOro
Group最新的研究报告预测,到2021年,园区千兆端口占比达到峰值并开始下滑,而万兆端口占比将持续增长,复合年均增长率(CAGR)达到45.2%。

腾讯布局量子技术开始于 2017 年初,葛凌(Ling
Ge)教授以腾讯欧洲首席代表身份加入腾讯。2018 年 1
月,香港中文大学著名量子理论计算机科学家张胜誉教授加入并搭建腾讯量子实验室,担当起搭建并领导这个团队的重任。同年,腾讯提出了“ABC2.0”技术布局(AI、RoBotics、Quantum
Computing)。

CurreNET是华为公司全自研的下一代低时延网络技术,其主要特征在于支持免PFC的全云规模部署,原生支持虚拟化,同时支持标准verbs和socket接口,以及应用自定义的通信语义卸载。基于以上特征,CurreNET从网络规模、网络时延、多租户支持以及应用端到端通信性能等多个角度实现了对当前主流的低时延网络技术RoCE
(RDMA over Converged
Ethernet)的全方位超越。具体体现在:第一,消除了PFC依赖之后,可以跨越POD部署RDMA网路,消除了资源孤岛,网络规模达到10万+,真正做到RDMA和TCP同等规模。第二,消除了数据流发送速率的波动,使得网络可以获得稳定的低时延,常态下网络时延小于10us;在高负载情况下,平均时延相对RoCE降低58%,99.9%尾时延降低90%。综合上述技术优势,CurreNET网络技术使得分布式存储的IOPS能力提升了30%。

华为聚焦竞争力,做大园区市场

目前来看,腾讯侧重于从量子 AI
入手,首先进入化学和药物研发这一领域。在量子 AI
理论上,腾讯量子实验室与外部科学家 Iordanis Kerenidis
研发了第一个有可证明的量子加速算法。将经典算法中与网络连接数成正比的复杂度,提高至与网络节点数成正比的量子算法复杂度。这是一个“平方级”的效率提升,对人脑这一“终极神经网络”,该算法效率的提升是
7000 倍。

当前RoCE网络的大规模部署受限于其拥塞控制算法对PFC的依赖。由于PFC会引入网络死锁和PFC风暴风险,业界大多将RoCE网络限制在一个较小的范围内,例如仅允许同pod内的主机通过RoCE网络进行通信。这不可避免地造成了云数据中心内出现大量资源孤岛,而这完全违背了云计算的核心理念。为了解决这个问题,CurreNET提出了全新的、具有理论稳定点的拥塞控制算法。通过ECN模拟端到端信誉流控,CurreNET把交换机队列深度严格控制在极低的水平且维持稳定,从概率上让因为缓存溢出造成的丢包接近零。因此,CurreNET不需要PFC就能在传统以太网环境中运行;解除对PFC依赖的同时,也让RDMA的全云部署成为可能;同时,极低的队列又显著降低了排队时延,把端到端时延成功维持在微秒水平。上述特性成功支撑了华为大规模云存储业务的极致用户体验。

时至今日,园区网正处在全万兆/千兆交替的瓶颈期。华为凭借自主研发的领先优势,启动了“中国区万兆智简园区专项行动”,其构成可以概括为“3+2”模式,在超宽、极简、智慧、安全和开放的设计理念下,为企业提供高性价比的万兆产品及全场景解决方案。

同时,该算法对量子计算机的精确度要求不高,适用于中短期量子计算机的应用。腾讯量子实验室目前在在小分子药物发现流程中引入
AI
模型,在制药行业的探索取得了阶段性的进展。同时,实验室利用腾讯云的算力计算和发布了
Alchemy 数据库,比之前最大的分子量子性质数据库 QM9
在样品数量,分子大小,元素构成等方面均有明显增加。腾讯量子实验室也在探索搭建
SimHub 科学计算平台,建立云端的科学计算生态。

除此之外,CurreNET原生支持多租户网络虚拟化、多种通信语义接口,以及应用自定义的通信语义透明卸载,这些黑科技将在近期逐一发布,敬请期待。

华为数据通信产品线园区网络领域总裁赵志鹏表示:“2019年是Wi-Fi
6的规模商用的元年,在Wi-Fi
6时代,无线接入将成为万物接入的默认方式。随着VR/AR/IoT/4K/8K超高清视频应用的兴起,新兴应用从本地走向云化,从低交互性走向高交互性,对于网络的时延和带宽都提出了新的挑战。园区接入从千兆升级为万兆成为业界主流共识。华为万兆智简园区解决方案,基于CloudEngine
S系列全万兆交换机,超大容量超低时延的AirEngine Wi-Fi 6产品和iMaster
NCE管控析融合平台,为企业客户提供超宽、极简、智慧的园区体验。”

百度研究院量子计算研究所所长段润尧发表了《量子架构与量脉系统》的演讲报告,介绍了量子架构面临的问题以及百度最新开发的“量脉”系统。

对比去年的会场,2019年的华为全联接大会场内Wi-Fi速度有了明显的提升。据上海世博展览馆副总经理黄海兵介绍,世博展览馆2019年全面部署了华为AirEngine
Wi-Fi。有了AI自动运维后,对比传统的人工处理,AI技术不仅仅是效率极大提升,更是做到了为每一位客户提供端到端的实时最佳网络服务。

(一)超宽的承载:无阻塞,极速接入

段润尧在清华大学计算机系就读了本科和博士,从 2001
年起开始从事量子计算和量子信息技术研究,是量子纠缠特性与应用领域专家。

传统的Wi-Fi网络,在部署和运维阶段通常需要耗费大量的人力和时间对网络进行调优。以万人办公园区为例,上千台Wi-Fi
AP的网络规划、部署、调测、验收通常需要3——5周的时间。同时,Wi-Fi网络部署之后,随着业务和环境的变化,如接入终端数量的增加、办公环境的改造等,Wi-Fi网络质量出现了劣化,用户体验变差。

华为以AirEngine(-networking/wlan/wifi-6)为核心构建了一个无所不联的无线网络,用CloudEngine
S系列交换机打造一个零丢包的有线网络,最后通过有线全万兆和无线全覆盖,来构建一个全自动化、智能和开放的网络管理和运维中心。

在该报告中,他首先分享了对量子技术发展趋势的判断,指出需要做好迎接量子计算时代的紧迫性以及研发量子计算新业务的重要性。之后他分别从“统一编程平台、量子硬件接口、分布式信息处理、量子因特网、以及量子和后量子密码”五大方向阐述了量子架构当前面临的巨大机遇和严峻挑战,介绍百度将通过构建量子计算平台以及生态系统来应对这些挑战。最后,他介绍了百度量子计算研究所最近开发的名为“量脉”(Quanlse)
的量子脉冲云计算系统。

HC2019期间,华为发布了AirEngine网络三大智能新能力:网络环境智能感知能力、无线故障智能定位能力、无线网络智能优化能力。基于园区网络全新的iMaster
NCE-Campus智能运维系统,可以让园区网络无线联接的更智能和网络运维更简单。

在园区交换机领域,华为面向企业、政府、教育、金融、制造等各行业,推出了全新一代CloudEngine
S系列园区交换机,打造极简管理、稳定可靠、业务智能的园区网络,涵盖接入、汇聚与核心交换机,共16款新产品。

段润尧表示,量脉系统可以把量子逻辑门的描述高效地转换成控制量子硬件的脉冲序列。经实际测试,量脉的算法运行性能较同类型的工具包有数量级的提升。

简单来说,它能够实时感知数万终端接入的变化、网络中业务的变化,发现无线网络的潜在故障和问题,并对网络仿真和预测,从而分钟级完成无线网络调优。另外,部署在云端的智能学习引擎,持续进行训练,丰富故障知识库,使得近90%的网络故障在分钟内得到响应处理,减少客户投诉,提升网络体验。

有线全万兆,在网络的核心、汇聚、接入和用户层,使用CloudEngine
S12700E核心交换机、CloudEngine
S6730-H/-S交换机、S7700/8700智能路由交换机、S6720-SI多速率交换机、AP7060DN接入点等产品,可以保证Wi-Fi
5向Wi-Fi 6平滑升级,从而满足未来5-10年的网络需求。

百度研究院量子计算研究所成立于 2018 年 3
月,开展量子计算软件和信息技术应用业务研究,悉尼科技大学量子软件和信息中心创办主任段润尧教授出任百度量子计算研究所所长。据了解,百度计划在五年内组建世界一流的量子计算研究所,并逐步将量子计算融入到业务中。

2016年初,智能运维系统开始应用于华为IT网络,至今已覆盖全球14个研究所,1000+办公地,利用华为18万人规模的大型办公园区业务,不断学习、训练、优化。

无线全覆盖,提供高密、物联等场景的高品质Wi-Fi体验。

在演讲以及后面的提问环节,段润尧还反复强调,量子计算领域的研发涉及多个学科的交叉融合,同时量子软硬件和许多重要应用的研发还处在初级阶段,存在一定的不确定性,因此任何个人或企业都需要根据自己的所长和需求慎重作出战略取舍,切忌面面俱到而失去重点。他表示,百度量子计算研究所将结合公司自身强大的基础技术能力以及云计算等核心业务,重点进行量子算法、量子
AI
应用以及量子架构这三个方向的研发,开发量子计算平台并通过灵活高效的量子硬件接口与不同量子硬件系统进行对接,最终以云计算的方式输出量子计算的能力。此外,百度也将大力构建可持续发展的量子计算生态系统,与学界和产业界一道共同推进量子计算的发展。

AirEngine是华为WLAN网络的全新品牌,其中AP7060DN作为华为Wi-Fi
6的旗舰产品已经在全球规模商用,服务于政府、教育、金融、能源、机场、制造等行业场景。

华为智简园区网络的旗舰级核心交换机CloudEngine
S12700E(-networking/switches/campus-switches/s12700e),具备极速转发、融合接入、平滑演进三大亮点。它通过搭载Solar交换芯片,整机支持57.6Tbps的转发能力;有线无线网络的融合接入、综合管理;并采用全可编程架构,业务升级无需更换硬件,来帮助客户网络从传统园区向智简园区转型。

华为量子计算软件与算法首席科学家翁文康带来了《专用量子计算机的应用算法》的演讲,分享了华为量子技术的相关研究成果和一些想法。

华为流程IT信息技术工程部总裁张国斌介绍说:“新升级的智能运维系统通过智能学习引擎,持续训练网络、业务、故障模型,既能够更聪明的感知场景变化,自动优化网络,又能够精准识别无线网络故障并分钟级处理。”

注:据Tolly Group最新的测试报告称,CloudEngine
S12700E是单槽位带宽最大、100GE端口密度最高,整机交换容量最大的园区核心交换机,是业界的6倍。

翁文康在 2018
年宣布加入华为数据中心技术实验室,主导量子算法、量子人工智能、量子模拟等领域的前沿研究和技术创新。本科和硕士就读于香港中文大学物理系,随后赴美国伊利诺伊大学进修并获得博士学位,之后进入哈佛大学进项量子相关的博士后研究工作,回国后在清华大学交叉信息研究院担任助理教授,再到在南方科技大学物理系任教。

在本次HUAWEI CONNECT
2019大会期间,华为对开发者大赛量子计算赛道决赛的获奖选手进行颁奖。此次大赛是国内首次大型量子编程开发大赛,共有来自国内外59所大学、研究所和11个企事业单位的189名选手报名参赛,最终有6支队伍共计18人晋级决赛。参赛选手主要运用华为HiQ云平台解决量子计算中具有挑战性的实际问题,提出新算法并编程实现。

源自华为5G技术的AirEngine Wi-Fi
6系列产品,凭借独创的天线和算法技术,为企业构建一张零死角覆盖、零等待体验、零丢包漫游的Wi-Fi
6网络,以助力未来数字化教育、数字化机场、全渠道金融、智慧医疗、智慧政府、智能制造等行业快速迈入万物互联的智能世界。

翁文康认为,目前产学界所实现的量子比特个数还远远不足以实现教科书里的量子算法。当前面临的几个重大问题是,如何开发近期量子芯片的应用以解决一些实际的科学或者工程问题?此外,如何实现使普通用户访问基于这些专用量子计算机的云服务?同时,这些云服务也引发了不少学术问题,比如,如何验证互联网背后的服务器是否是真正的量子计算机而不是一个经典模拟器?

会议资料下载链接:

华为AirEngine Wi-Fi
6的核心产品AP7060DN接入点,内置全向天线,整机12条空间流,速率可达6Gbps,在高密场景下的并发用户数提升至400人/AP,支持10G以太网口上行,可以轻松解决上行带宽瓶颈难题,并提供外置物联网扩展,满足企业物联网功能扩展需求。

量子计算是华为中央研究院数据中心实验室的重要研究领域之一,目前主要研究方向包括量子计算物理与操控、量子软件,量子算法与应用等。在去年
HUAWEI CONNECT 2018 上,华为首次正式对外公布了其量子计算模拟器 HiQ 1.0
云服务平台,搭载量子线路模拟器。华为表示,单台昆仑量子计算模拟一体机可实现全振幅模拟
40 量子比特、单振福模拟最大 144 量子比特(22
层)的性能表现。此外,有消息称华为目前已经和多个量子计算研究团队建立了战略合作关系。

(二)极简的部署:自动化部署,云化架构

他在演讲中提到,量子化学问题因为参数过多、需要很多逻辑门、精度要求高等问题,还需要投入更多的研究。华为今年发布了量子计算云服务
2.0,新增业界领先的量子化学模拟平台 HiQ Fermion 和量子调控模块 HiQ
Pulse。四位负责人有一个基本的共识,即目前的量子计算还有太多的不确定性和问题需要解决,要实现量子计算的商用还有很长的路要走,需要各界都有“前人栽树,后人乘凉”的精神不断进行探索与实践。

基于华为的Wi-Fi 6产品和CloudEngine
S系列交换机,我们构建了一个极速的网络,下一步就是部署和运维管理网络。

很显然,四巨头选择了不同的量子探索之路。各个公司都在结合自身优势的基础上选择发展各自的软硬件,从目前来看,量子算法和软件因相对投入低而易于开展,硬件因其难度和成本是一个较为长远的布局,未来要实现量子计算的突破既需要硬件的支撑,也需要新算法的出现。硬件与算法的发展将会彼此促进,“杀手级应用”的出现将会吸引更多的关注和更大的资金投入,硬件的突破将会大幅拓展算法设计的空间。正如耶鲁大学斯特林应用物理学和物理学教授(Sterling
Professor)、超导量子比特的发明者之一 Schoelkopf
所说:“硬件与软件相结合,挑选出最容易处理的问题。实现实用的量子计算或许要比人们所想象的更快。”

为此,华为面向全场景,通过一站式管理中心iMaster
NCE为客户构建一张万物互联、业务无忧和可平滑演进的园区网络,使能行业数字化转型。

基于这三个子系统,我们可以实现:

自动化:基于图形化界面的全网自动化部署,效率提升100%。

虚拟化:基于VxLAN的网络虚拟化,实现一网多用。

智能化:自研芯片Telemetry+边缘智能+AI算法。

安全:园区安全协防,主动威胁防御,安全智能检测领先。

融合:有线无线融合+物联融合+LAN-WAN-DC融合

(三)智慧的运维:体验可视,预测优化

对于传统网络来讲,运维主要存在三大问题:问题定位时间长、问题瞬时性和被动响应。为此,华为基于大数据、AI以及机器学习算法,推出了园区分析器iMaster
NEC-Campus
(CampusInsight),采用Telemetry技术实现用户体验指标的秒级采集,可以实现全网有线无线网络的精细化运维。

同时,CampusInsight通过大数据和AI算法对采集数据智能分析,可以有效识别网络运维中的四大类典型故障,进行根因分析并提供修复建议。除了群障分析,还能提供更为精细化的个障分析。通过这样的主动运维,有效减少了园区在网用户的投诉,降低了网络OPEX。

写在最后

华为在软件和硬件领域持续的研发投入,使得其在园区网络市场中获得了持续的发展。从2016年开始,华为园区交换机连续3年在IDC中国市场份额报告中排名第一;连续3年在IDC全球市场份额报告中排名第二,年复合增长率27%。

作为全球园区网络领域知名的技术与方案提供商,华为一直在为全球150个国家提供服务。截至目前,华为园区网络已经助力了教育、金融、政府、大企业、医疗、制造等众多行业客户实现数字化转型。

未来的园区网络特征是:“智联万物的、业务无忧的,可以平滑演进的。”以华为为首,相信未来的园区网络市场将有一番大变化,万兆园区真正实现梦想照进现实。

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