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来源:keaoya.cn 晋州晚报
2020-1-15

  中科大郭光灿团队研制出自主知识产权的量子计算机控制系统

  硬件“瘦身” 性能提升

  近日在位于中国科学技术大学的中科院量子信息重点实验室里数名研究人员正操作一台20寸行李箱大小的仪器进行量子芯片的调试等操作。而在几周之前完成这些操作还需要满满一屋子的设备。

  这台行李箱大小的仪器就是中科大郭光灿院士及其同事郭国平、孔伟成等近期成功研制出的量子计算机控制系统——本源量子测控一体机。

  “它小型化、专业高效国产化水平较高。”中科院量子信息重点实验室副主任郭国平说本源量子测控一体机是国内第一款自主研发的量子计算机控制系统可以实现对量子芯片的操控并发挥其性能优势它的成功研制是迈向量子计算机重要的一步。

  能对大型量子芯片实现精准测控发挥性能优势

  量子测控一体机是一款能够实现对大型量子芯片精准测控的产品。

  郭国平拿经典计算机来比喻:“其实量子芯片跟传统的计算机CPU一样正常工作的时候需要一个控制系统去捧场它就好比我们的电脑主机里有主板、内存、电源等一系列硬件它们给处理器提供一个发挥功能的环境。量子芯片同样需要这样的环境我们把这个环境定义为量子计算机控制系统量子测控一体机就是这个系统它是量子计算机除了量子芯片之外的所有硬件部件。”

  量子测控一体机未研制成功之前科研人员想要操控量子比特要使用诸多仪器有的仪器体积比柜式空调还要大林林总总的仪器在一起需要一间三四十平方米的房间才能放下。随着操控量子比特数目的不断增多仪器需要相应增加占地也越大。这类似经典计算机刚出现时的场景1946年世界上第一台经典计算机诞生时占地面积很大。

  “量子计算机要想方便地投入使用必须走小型化之路。”郭国平说研究团队将诸多仪器进行集成后变成一台仪器即量子测控一体机主要功能是提供量子芯片运行所需的各种关键信号同时量子芯片处理完一个任务以后也可以通过量子计算机控制系统读取处理结果。

  在当前量子芯片飞速集成发展的阶段量子计算机控制系统是量子计算机不可或缺的组成部分能使量子芯片最大程度发挥性能优势。

  节约成本能应用于精密测量等更广泛领域

  在本源量子测控一体机研制成功之前量子计算机研发只能使用传统商用仪器设备自行搭建量子计算机控制系统。这些商用仪器是非标设备并不是专业可操控量子比特只是经过调控后可以在一定程度上实现操控量子比特的功能。

  “就好像科研人员需要盛水这个功能以往市面上只有青花罐青花罐当然可以盛水但盛水只是青花罐的一个功能。”郭国平说。因此原有的搭建方式不仅成本高昂、功能冗余还存在兼容性差、难以调试等缺点。

  “我们相当于为实现盛水功能打造了一个储水罐。”郭国平说假如买传统商业仪器搭建一套系统成本超过千万元而专门针对量子芯片设计的量子测控一体机可节约一半成本大批量生产后成本还会进一步降低。

  此外量子测控一体机的使用还可以大量节约科研时间。以往科研人员自行搭建量子计算机控制系统时因为各个商用仪器缺乏统一规范调试这些设备需要花费数月甚至一年多的时间。量子测控一体机投入使用后系统调试时间接近于0科研人员可以更专注于科研相关的数据验证。

  量子测控一体机其本身还是高端仪器仪表能够应用于精密测量、基础科学研究等更广泛的领域。郭国平说目前国内高端仪器仪表依赖于进口量子测控一体机的一些元部件已经国产化在其可应用的多个领域高端仪器依赖进口的局面或将改善。

  将随着量子芯片的发展迭代但差距量子计算机面世还很远

  郭光灿院士团队认为目前量子计算机发展的阶段相当于蒸汽机刚刚面世之际。“当蒸汽机只有0.01马力时是比不过马匹的但有何意义?它代表着一个发展的方向。”郭国平说。

  科研人员预测当量子计算时代到来时利用GHz时钟频率的量子计算机求解一个亿亿亿变量的线性方程组将只需要10秒钟。而现在即便是用世界上最快的超级计算机也至少需要几百年。

  郭国平说现在的量子测控一体机只能服务于0.01马力的量子芯片当量子芯片升级1马力、10马力时测控一体机要随之升级迭代满足更多位数量子芯片的测控需求。

  郭光灿表示除了量子芯片、控制系统外要研制一台真正有用的量子计算机所需要的量子元素还很多差距量子计算机的真正面世还很远。

  负责量子测控一体机研发的技术总监孔伟成说:“团队将尽快研制出‘量子计算机’原型机并且探索更广泛的应用场景。然后再通过十年到二十年时间研制出可解决实际生活需求的专用量子计算机最后再通过数十年的努力实现通用量子计算机。”

  郭国平说在经典计算机时代一些跨国公司已在操作系统与芯片等方面建立体系使后来者追赶困难。而在量子计算机领域海外跨国公司还没有形成绝对优势。“我们希望通过努力在量子计算时代到来之际抢占先机成为推动全世界科研发展的创新力量。”郭国平说。

  孙 振 李家林

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  记者 赵广立

  继彭博消息社10月9日更新了其所谓的“中国黑客利用间谍芯片攻击美科技公司”的报道之后业内专家分析认为该事件的真实性越来越离谱。然而诡谲的是该事件给各方带来的负面影响却越来越大。

  “10月4日彭博消息社报道刚出来的时候指责所谓‘中国黑客’利用伪装芯片发动攻击的方式经济上不合理、技术上又太复杂我是不怎么相信的;10月9日彭博社进一步指摘‘黑客’在网卡接口处隐藏‘间谍芯片’却又没有证据来证实这一点。”360集团技术总裁兼首席安全官谭晓生在接受〖中国科学报〗专访时说彭博社前后两次报道提及的“黑客攻击”非常难以证伪——不可能把彭博社所指摘的所有主板都拆来检视但也无法证实——彭博社并没有拿出实证且其所取信的信源也没有可信度。

  “总体感觉是被泼了脏水但又很难自证清白这就很痛苦了。”谭晓生认为这种模棱两可的态度反而造成了坏的影响。

  就在全球的技术专家都在忙着搞清这篇报道真相的同时美国消息界与民众却开始宣扬保护本国的“供应链安全”。如美国〖大西洋月刊〗与〖国会山报〗的文章都认为“即便中国没有通过硬件入侵美国企业的服务器主板彭博社的报道也暴露出了过于依赖中国的电子产品供应链条给美国带来巨大的安全危机”。

  然而事实是没有哪个产业比集成电路有着更鲜明的全球化烙印。假如说仅仅依赖中国的供应链就要承受“巨大安全危机”那么无法想象每年进口全球芯片50%以上的中国要承受什么。

  硬件安全易被忽视的问题

  “(硬件安全)暴露出来的案例还不多尚未引起足够的重视。彭博的这个报道实际上也给我们提了个醒。”中科院计算所研究员、计算机体系结构与芯片研究方向博士生导师韩银与在接受〖中国科学报〗记者采访时说其实相比于软件安全、网络安全、数据安全等硬件安全特别是从关键元器件发动的攻击相当于一种新的“降维攻击”要高度重视硬件安全的重要性。

  谭晓生也告诉记者芯片的确是攻破安全屏障的一个进攻点而且因为它在最底层假如有预置后门或埋了木马幕后操纵者可以“一层层地向上打”。假如对这种攻击方式不甚了解的话被攻击方很难察觉。

  而从硬件出发黑客可能从芯片层、电路板层、固件层发动攻击。

  谭晓生介绍说芯片级的主动攻击可以做到与正常芯片外观、管脚、封装等都一样但芯片内部电路被篡改。这种通过篡改原始集成电路设计植入完成特殊功能的逻辑业内称为芯片木马或者硬件木马。在满足一定条件的时候(如反复执行某个指令引起状态反转)木马会被唤醒进而实施改变功能、窃取信息、物理摧毁、协助软件木马控制系统等攻击行为。

  韩银与对记者说2016年美国密歇根大学研究人员在IEEE安全领域顶级会议之一IEEE隐私与安全大会上已经证实在芯片制造过程中可以植入硬件木马。在这次大会上研究人员公开了一种只需要几十个门电路(整个芯片大概为几十亿个门级)的超小型硬件木马这种木马可通过运行一系列“看上去完全无害的命令”触发处理器某项功能进而获得操作系统完整权限危害极大。

  更值得担忧的是韩银与指出该芯片木马只要芯片制造工厂中的一位员工就能进完成植入而且基本无法通过任何现代硬件安全分析手段检测出来。

  类似的与芯片共同构成电路逻辑的电路板乃至执行某个特定功能的固件(介于软硬件之间)都有可能被植入恶意逻辑这些同样非常难以发现。

  “限于工艺能力中国许多芯片在境内设计、在海外流片在流片的过程中假如有别有用心者对芯片做了手脚检测起来也是非常难的。”谭晓生告诉记者从这个角度来讲对于供应链安全中国才是最该担心的。

  韩银与更是直言硬件木马对于我国威胁更大:一方面该木马可以在制造阶段插入因为半导体高端制造环节都在国外这一隐患更大;另一方面现有高性能芯片是非常好的硬件木马宿主而我国无论是高端信息服务业与重要行业每年都从美国进口大量的高端处理器。

  中国如何应对硬件安全?

  中国是全球最大的芯片进口国全世界50%以上的芯片进口到中国。

  海关总署公开信息显示2017年中国集成电路进口量高达3770亿片同比增长10.1%;进口额为2601亿美元(约合17561亿元)同比增长14.6%。集成电路进口额占中国总进口额的14.1%。

  随着智能物联网设备的爆发式增长中国未来只会进口更多的芯片。而随着更多的设计者、生产者进入芯片产业链条几家大公司垄断的格局也将被打破。当“企业信誉”变得更为复杂则意味着供应链全流程中安全漏洞更多甚至可能产生与软件领域那庞大的黑灰产业。在此背景下中国如何对硬件安全挑战?

  “安全问题不可能完全杜绝至少现在从理论上没有绝对安全的计算机系统只是攻防难度不同。”中科院计算所研究员、先进计算机系统研究中心主任包云岗在接受〖中国科学报〗记者采访时提出就像我们追求健康一样要有适当的手段来防止“病入膏肓”:不是绝对不生病而是病痛来临之时能防能治。

  投射到硬件安全方面就是要找到性价比最高的安全保障方案——花合理的钱保障足够的安全。怎么做到这一点?“个人观点更重要的是构建免疫系统就是有未知入侵也能很快识别并快速响应减少危害形成免疫。”

  问题是怎么构建这个免疫系统。

  “这就需要核心技术了。”包云岗说可以参考人体的免疫系统来研究相应的一整套技术系统比如类似B细胞的识别入侵机制、T细胞的有效杀死病毒;当B细胞与T细胞被激活后会形成免疫记忆等。

  在韩银与看来上述提到的“免疫系统”应该既包括“防”又包括“攻”。

  “相关技术体系的构建也不能仅仅注意防守也要重视‘攻’的技术‘攻’的技术进步可以大大提升防守的能力。”韩银与对记者说美国在这方面非常重视而且有可能有成体系发展“芯片武器”的计划。相比而言我们的研究还不够系统。

  同时韩银与还提示面对潜在的硬件安全挑战我国还应该建立健全供应链安全管理体系。“企业作为主体建立关键元器件与系统可信审计制度建立对芯片制作全过程的跟踪体系避免伪制与过程中的恶意电路添加。”

  现有技术能防御几多

  硬件安全威胁重大目前对其也并非完全束手无策。谭晓生告诉记者芯片安全保护除了硬件检测外还可以利用已有的网络安全技术实施防御。

  “不论是芯片级、主板级还是固件级的攻击它就算隐藏起来也始终是一个‘坏人’。坏人总得干‘坏事’而只要它干‘坏事’就一定会留下一些行为上的特征:如功耗变大、网络流量异常、行为异常等。”谭晓生对记者说通过一项名为边信道检测的技术就可以检测到电流、噪声、电磁等的变化。

  此外通过网络行为检测与应用程序检测等多维度信息的收集就会有更高概率发现恶意程序造成的机器异常进而分析机器运行的程序是正常程序还是木马。

  “这其实就是攻防维度之争。攻击者能控制多少维度、防御者能控制多少维度二者对比可见高下。假如说作为防御者有一些维度是攻击者无法控制的那么就有可能通过这些维度检测到攻击者。”谭晓生说。

  360网络攻防实验室负责人林伟介绍称360今年发布的“安全大脑”就是这样一种理念:在无法判断哪些行为是攻击的情况下尽量多地对行为与数据进行记录然后对这些海量数据进行存储、分析、挖掘与关联并配合人工智能技术快速发现高级威胁。

  “网络安全领域有个理念叫做‘零信任’说白了就是‘啥都不能信’。在整个安全防御体系里相信什么可能就会‘死’在什么上面。”谭晓生对记者说追求“零信任”其实是追求全维度的分析检测这需要大量的存储、计算与分析。所幸随着近年来计算与存储成本的下降“安全的钱舍得花了”。

  不过韩银与认为要应对硬件安全挑战我国在科研上还应围绕硬件安全组织进行方方面面的研究。

  “国内已经有一些研究团队开始注意芯片安全的问题。中科院计算所在几年前成立集成电路安全团队并已经取得了一些突破性的工作。但相对于国外研究我们起步晚了一点。”韩银与说因为硬件安全的危害性还没有完全展现出来所以目前我国投入与重视程度都不足。

  “这体现在研究上系统性不足成果的核心技术主要集中在一些点的技术上而且偏重于‘检’与‘防’的技术而芯片木马‘攻’的技术也很重要只有建立完整的“攻—检—防”技术体系才能综合发挥作用。”韩银与说。

  〖中国科学报〗 (2018-10-18 第5版 技术经济报刊)

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