中國信通院李潔等：算力基礎設施的現(xiàn)狀、趨勢和對策建議

發(fā)布日期：2022-10-10 09:43:16  瀏覽次數(shù)：3368 來源：信息通信技術與政策

當前，云計算、人工智能、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術快速發(fā)展，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與新興技術加速融合，數(shù)字經(jīng)濟蓬勃發(fā)展。算力基礎設施作為各個行業(yè)信息系統(tǒng)運行的算力載體，已成為經(jīng)濟社會運行不可或缺的關鍵基礎設施，在數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展中扮演至關重要的角色。2019年，美國發(fā)布《 國家戰(zhàn)略性計算計劃：引領未來計算》，將計算能力提升到國家戰(zhàn)略高度，從先進計算、超算、高性能計算等多方面打造國家計算基礎設施。近年來，我國對算力基礎設施的重視程度不斷提升，一體化發(fā)展、新型數(shù)據(jù)中心、算力基礎設施等概念相繼提出。2020年4月，國家發(fā)展和改革委員會首次對“新基建”的具體含義進行了闡述——基于新一代信息技術演化生成的基礎設施，包含以數(shù)據(jù)中心、智能計算中心為代表的算力基礎設施等。算力基礎設施內(nèi)涵外延廣泛,建設運營主體豐富，技術環(huán)節(jié)眾多，需要多方統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、共同參與,促進其高質(zhì)量發(fā)展。

1  算力基礎設施的內(nèi)涵和外延

算力基礎設施本質(zhì)是提供不同類型算力的基礎設施。伴隨著算力基礎設施的發(fā)展，國家及地方相關政策文件提出了云數(shù)據(jù)中心、智算中心、一體化大數(shù)據(jù)中心等概念。經(jīng)深入分析，發(fā)現(xiàn)這些概念是從數(shù)據(jù)中心采用的技術架構、提供的服務類型等不同維度提出的，物理實體都可以歸為數(shù)據(jù)中心的不同形式和類型。當前，算力基礎設施概念主要源于3個方面，一是提供算力資源的實體，如數(shù)據(jù)中心是面向市場的算力資源，超算中心是主要面向科研國防等重大項目或課題的算力資源；二是政策文件中出現(xiàn)的名詞概念，新型計算中心概念不斷涌現(xiàn)，如新基建政策中出現(xiàn)的算力基礎設施、一體化大數(shù)據(jù)中心和行業(yè)大數(shù)據(jù)中心；三是技術融合，云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術的興起與發(fā)展，市場應用需求的導向，引發(fā)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心發(fā)生技術變革，使其成為技術創(chuàng)新的制高點，成為技術密集型產(chǎn)業(yè)，并催生新型計算中心形態(tài)，如智能計算中心。

狹義的算力基礎設施指提供算力資源的基礎設施，主要以算力資源為主體，包括底層設施、算力資源、管理平臺和應用服務等，涵蓋超算中心、數(shù)據(jù)中心和智算中心等提供的多樣性算力體系。該類定義下的算力基礎設施通過管理平臺，實現(xiàn)跨區(qū)域、跨領域、跨部門協(xié)作，公共算力和商業(yè)算力共同提供服務，滿足我國科技創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)升級和人民智慧生活的需求。

廣義的算力基礎設施是融算力生產(chǎn)、算力傳輸和IT能力服務為一體的ICT服務。考慮到算力本身是通過硬件、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫產(chǎn)業(yè)生態(tài)，算力資源與網(wǎng)絡傳輸?shù)墓餐饔茫懔Ψ张c社會生活的相互促進，本文認為算力基礎設施既包含提供算力資源的實體、配套使用的存儲資源、助力算力應用的數(shù)字技術，又涵蓋通過敏捷彈性的云計算、提供算力資源輸送的網(wǎng)絡基礎設施對外提供服務等內(nèi)容。這更符合我國經(jīng)濟社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型，對算力多元化供給、普惠化使用、便捷化連接的現(xiàn)實需要。

算力基礎設施是新基建的核心組成部分，對于我國數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展支撐意義重大。一方面，通過深度應用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術，算力基礎設施支撐傳統(tǒng)基礎設施轉(zhuǎn)型升級，形成融合基礎設施；另一方面，通過持續(xù)支持科學研究、技術開發(fā)和產(chǎn)品研制，算力基礎設施支撐創(chuàng)新基礎設施的落地建設和創(chuàng)新發(fā)展。在全球經(jīng)濟狀態(tài)低迷、國際貿(mào)易沖突加劇和新冠肺炎疫情暴發(fā)的經(jīng)濟大幅下行壓力之際，算力基礎設施具備固定資產(chǎn)投資和數(shù)字基礎設施雙重屬性，可推動我國經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展。短期來看，算力基礎設施能夠發(fā)揮固定資產(chǎn)投資的作用，發(fā)揮投資的“逆周期”調(diào)節(jié)作用，助力穩(wěn)投資、擴內(nèi)需，緩解當下之急；長期來看，算力基礎設施能夠促進數(shù)字基礎設施的建設發(fā)展，有助于力行供給側(cè)結構性改革，實現(xiàn)新舊動能轉(zhuǎn)換、增長方式轉(zhuǎn)型的經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展。

2  算力基礎設施的發(fā)展趨勢

2.1  多元算力需求推動算力基礎設施規(guī)模大幅增長

數(shù)據(jù)中心方面，從產(chǎn)業(yè)需求來看，5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等信息技術與應用正加速發(fā)展和布局，數(shù)據(jù)量暴增，對數(shù)據(jù)中心的需求不斷增長。預計未來幾年，我國數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)仍將繼續(xù)保持高速增長趨勢。截至目前，數(shù)據(jù)中心在算力基礎設施總體規(guī)模中占比最高，超過90%，未來幾年數(shù)據(jù)中心規(guī)模將保持年均20%的增速。智能計算中心方面，隨著AI算力需求的增加和新基建政策的推動，AI算力進入需求加速期，而傳統(tǒng)算力受效率、功耗和成本的限制提升緩慢，且用于AI專屬計算性價比較低。按照AI基礎架構規(guī)模增速來看，未來AI算力增速將達到60%以上。超算中心方面，隨著產(chǎn)業(yè)升級和企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型加快，高性能算力需求不斷旺盛，超算中心也將在“十四五”期間迎來新發(fā)展階段。邊緣數(shù)據(jù)中心方面，未來隨著5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設推進，邊緣算力需求將日益迫切，邊緣數(shù)據(jù)中心建設部署將進一步加快。

2.2  算網(wǎng)協(xié)同實現(xiàn)算力資源的優(yōu)化整合和敏捷連接

隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術的發(fā)展，海量邊緣數(shù)據(jù)爆發(fā)式增長，以云計算為核心的集中式大數(shù)據(jù)時代，在網(wǎng)絡延遲、隱私安全和能效等方面，已無法滿足邊緣數(shù)據(jù)處理需求，邊緣計算應運而生，算力需求從云和端向網(wǎng)絡邊緣擴散下沉，高效算力需要深度融合計算和網(wǎng)絡，實現(xiàn)計算資源和網(wǎng)絡資源的敏捷連接。算網(wǎng)融合通過網(wǎng)絡分發(fā)服務節(jié)點的算力信息、存儲信息、算法信息等，結合網(wǎng)絡信息（如路徑、時延等），針對用戶需求，提供最佳的資源分配及網(wǎng)絡連接方案，從而實現(xiàn)整網(wǎng)資源的最優(yōu)化使用。算網(wǎng)協(xié)同的最終形態(tài)，或?qū)⑿纬啥喾N算力交易平臺、算力交易商店，滿足從多層次計算資源面向多樣性終端算力使用需求。

2.3  算力基礎設施泛在布局保障算力普惠化服務

數(shù)據(jù)中心方面，大型數(shù)據(jù)中心和邊緣數(shù)據(jù)中心將協(xié)同發(fā)展。《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》提出加快構建全國一體化大數(shù)據(jù)中心體系，建設若干國家樞紐節(jié)點和大數(shù)據(jù)中心集群。國家發(fā)展和改革委員會、工業(yè)和信息化部等四部門發(fā)布《關于加快構建全國一體化大數(shù)據(jù)中心協(xié)同創(chuàng)新體系的指導意見》《全國一體化大數(shù)據(jù)中心協(xié)同創(chuàng)新體系算力樞紐實施方案》，提出建設大型數(shù)據(jù)中心建設的八大節(jié)點，為我國數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)布局指明方向。隨著邊緣計算的推廣應用，邊緣數(shù)據(jù)中心在業(yè)界逐步探索建設應用，互聯(lián)網(wǎng)頭部企業(yè)紛紛開啟邊緣計算節(jié)點布局。超算中心方面，地方政府和高校正提速建設超算中心，并著力打造超算互聯(lián)網(wǎng)，進一步降低超算算力使用成本和連接難度。智算中心方面，我國各地政府掀起智算中心建設潮，智算中心算力規(guī)模迅速擴大，為人工智能算力的商業(yè)普惠應用提供了良好的基礎。

2.4  綠色低碳是算力基礎設施建設運營的主旋律

2006年開始，隨著互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展，全球數(shù)據(jù)中心規(guī)模高速增長，能效水平成為產(chǎn)業(yè)關注熱點，封閉冷熱通道、提高出風溫度、優(yōu)化供配電設備效率、充分利用自然冷源等綠色節(jié)能技術不斷推廣應用，數(shù)據(jù)中心能效管理從粗獷發(fā)展進入精細管理，全球數(shù)據(jù)中心總體能效水平快速提高，我國數(shù)據(jù)中心能效水平不斷提升，部分優(yōu)秀綠色數(shù)據(jù)中心案例已全球領先。算力基礎設施的供配電系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等設施組成功能與數(shù)據(jù)中心相似，數(shù)據(jù)中心領域應用的新一代綠色技術已經(jīng)外溢到整個算力基礎設施領域，如高壓直流、預制化、液冷、自然冷卻等。為應對全球氣候變化和實現(xiàn)綠色發(fā)展，我國提出雙碳發(fā)展戰(zhàn)略，雙碳戰(zhàn)略的提出將從內(nèi)而外改變算力基礎設施建設運營的方式。從建設上看，預制化將加快算力基礎設施向內(nèi)外縱深擴展；從產(chǎn)品上看，供配電系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、IT設備等將會朝著節(jié)能高效的方向發(fā)展；從運營上看，智能運維、余熱回收、可再生能源將會在算力基礎設施領域充分應用。

3  算力基礎設施建設面臨的挑戰(zhàn)

3.1  多元算力設施建設薄弱，產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系仍需完善

設施層面，當前數(shù)據(jù)中心規(guī)模占比最高，超過90%，而超算中心、智算中心和邊緣數(shù)據(jù)中心總體規(guī)模較小，出現(xiàn)專用算力不足、部分地區(qū)通用算力過剩、能耗成本過高的局面，無法滿足國防科技、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和社會生活對于多元普惠算力的需求。生態(tài)層面，多樣性算力面臨挑戰(zhàn)，硬件、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫的多樣性算力產(chǎn)業(yè)體系需多方共建，軟硬件自主研發(fā)投入不足，標準評測體系有待完善。國內(nèi)硬件產(chǎn)品存在嚴重的同質(zhì)化競爭現(xiàn)象，軟件投入和應用難以支撐上層業(yè)務發(fā)展。算力衡量指標多維，而現(xiàn)有標準化工作推進不夠完善，因此算力還無法像水電一樣標準化衡量；平臺兼容性問題突出，不同OS、固件、整機、芯片平臺兼容性問題突出，制約了產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。

3.2  算力標識和度量尚未統(tǒng)一，算網(wǎng)融合處于研究階段

算力的標識和度量是全網(wǎng)算力資源衡量的基礎，也是算力資源與應用需求敏捷對接的首要步驟。算力的統(tǒng)一標識和度量需要考慮諸多因素，在計算系統(tǒng)中，需要考慮精度、操作、指令、芯片、系統(tǒng)級的分層度量，不同的計算機對不同的應用有不同的適應性，因此很難建立一個統(tǒng)一的標準來比較不同計算機的性能。而且，算網(wǎng)協(xié)同中的算力標識度量不僅與硬件資源的計算能力、存儲能力和通信能力密切相關，也取決于計算節(jié)點的服務能力和業(yè)務的支撐能力。當前，算網(wǎng)協(xié)同處于研究階段，其實現(xiàn)路徑業(yè)內(nèi)存在較多的討論，中國移動、中國聯(lián)通等運營商提出了相關的實現(xiàn)路徑和實踐案例，預計未來仍需大量的標準化工作和技術研究工作。

3.3  算力布局供需失衡，服務實體經(jīng)濟比例嚴重不足

國內(nèi)算力布局存在供需對接失衡，主要體現(xiàn)在3個方面。一是中西部地區(qū)算力過剩，中西部地區(qū)應用需求不足，導致供給余量較大,“東數(shù)西算”模式尚未形成規(guī)模，造成資源閑置和浪費。二是用于產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的算力不足，過去十年，主要由消費互聯(lián)網(wǎng)帶動算力市場發(fā)展，而未來十年，產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將是算力市場的主要動力，在不考慮網(wǎng)絡等因素的情況下，當前的算力建設應用顯然存在與產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展需求不匹配的情況。當前，算力基礎設施服務于傳統(tǒng)行業(yè)和實體經(jīng)濟的比例較低，以提供通用算力為主的數(shù)據(jù)中心市場為例，服務于傳統(tǒng)行業(yè)的比例不足10%。三是算力使用門檻較高，企業(yè)缺乏相關數(shù)字化轉(zhuǎn)型人才，無法直接使用算力資源，因此需要通過云服務的方式提供算力服務，并通過低代碼無代碼提升軟件開發(fā)效率，最大化降低人力和時間成本，降低算力使用門檻。

3.4  算力基礎設施整體能耗和碳排放不容忽視

算力基礎設施的發(fā)展，很大程度上帶來人力的解放和生產(chǎn)效率的提升，有助于提升社會整體能效，加速實現(xiàn)碳減排和碳中和，但是未來，隨著算力基礎設施規(guī)模的不斷增長以及人工智能等更高算力密度需求技術的普及，算力基礎設施自身的能耗和碳排放也將帶來不小的挑戰(zhàn)。以數(shù)據(jù)中心為例，2020年我國數(shù)據(jù)中心耗電量突破900 億千瓦時，碳排放量達0.6 億噸。據(jù)中國信息通信研究院云計算與大數(shù)據(jù)研究所測算，到2030年，我國數(shù)據(jù)中心耗電量將超過3 800 億千瓦時，如果不采用可再生能源，碳排放量將超過2 億噸，算力基礎設施的綠色低碳亟待關注。近年來，以降低PUE為主要節(jié)能途徑的方法取得了較大的成效，同時，全球算力基礎設施的PUE降低放緩，節(jié)能改造與建設的邊際效益逐步降低，進一步提高能效需要投入更多成本；另一方面，部分傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心負載率不高、綠色管理不到位等造成數(shù)據(jù)中心能效改善效果不明顯。

4  促進算力基礎設施高質(zhì)量發(fā)展的相關建議

4.1  筑基多元算力產(chǎn)業(yè)，有序推進算力基礎設施建設

提升算力基礎設施關鍵技術研發(fā)能力，穩(wěn)固產(chǎn)業(yè)鏈基礎，包括基礎軟硬件自主研發(fā)，不同OS、固件、整機、芯片平臺兼容性改善，多元算力評測基準體系構建等方面，推動行業(yè)標準化、通用化，促進各產(chǎn)品兼容性相關測試規(guī)范和標準的制定，并開展多元算力測試驗證促進產(chǎn)業(yè)鏈成熟。有序分類建設算力基礎設施，持續(xù)支撐消費互聯(lián)網(wǎng)的算力需求，有序應對產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展帶來的算力需求增長，同時也避免建用不匹配的資源浪費，綜合考量科研院所、產(chǎn)業(yè)應用、城市治理和用戶需求等因素，建設與數(shù)字經(jīng)濟相適應的算力基礎設施。

4.2  深入算網(wǎng)協(xié)同研究，積極促進算力和網(wǎng)絡協(xié)同發(fā)展

加強算網(wǎng)協(xié)同技術研究和應用實踐，深入探討算網(wǎng)協(xié)同工作重點、難點和發(fā)展路徑。一方面，加快網(wǎng)絡優(yōu)化和技術創(chuàng)新，聯(lián)合應用方、設備供應商、第三方數(shù)據(jù)中心運營商、科研院校等產(chǎn)業(yè)界多方力量，通過標準的聯(lián)合制定，形成面向社會各行各業(yè)、各類用戶使用的網(wǎng)絡，開展技術研究和產(chǎn)業(yè)應用創(chuàng)新，形成更好的算力傳輸網(wǎng)絡。另一方面，開放算力市場，鼓勵民間資本積極參與，形成競爭充分、服務優(yōu)先、效率至上的算力市場，激發(fā)算力提供的水平以及算力消費的能力。通過對網(wǎng)絡和算力的雙方面推動，逐漸推動網(wǎng)絡和算力的協(xié)同、融合。形成網(wǎng)絡與算力協(xié)調(diào)發(fā)展的局面，提供一體化的算力服務。

4.3  統(tǒng)籌算力資源布局，持續(xù)推動算力應用向傳統(tǒng)行業(yè)滲透

統(tǒng)籌協(xié)調(diào)算力資源，各類算力基礎設施需求各異，應分類引導、施策。從網(wǎng)絡質(zhì)量要求來看，對時延丟包、供電能力、運行穩(wěn)定性、安全性要求極高的業(yè)務，應推動市場按需部署邊緣數(shù)據(jù)中心；對時延丟包、運行穩(wěn)定性的要求較高的業(yè)務，應重點布局京津冀、長三角、粵港澳、成渝等地區(qū)數(shù)據(jù)中心和云算力集群。從算力類型來看，對于滿足國家、地方重大政務應用、科研需求的超算中心，應以“應用需求”為牽引開展建設和應用；對于人工智能訓練、推理需求的業(yè)務，應推進技術提供方、產(chǎn)業(yè)用戶等加快智能計算中心建設。推動算力服務與傳統(tǒng)行業(yè)的技術融合、人才交流和商業(yè)合作，一方面加強技術研究和標準研制，推進低代碼無代碼開發(fā)平臺的相關標準工作。另一方面，通過示范試點工程為傳統(tǒng)行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的成果應用提供大規(guī)模推廣的基礎，相關管理部門在立項、資金程序管理、獎勵申報等方面為示范試點項目優(yōu)先提供支持。

4.4  關注綠色低碳算力，堅持探索綠色節(jié)能低碳減排新技術

完善算力基礎設施綠色低碳監(jiān)管體系，以電能利用效率PUE、水資源利用效率WUE、碳利用效率CUE等指標作為抓手，逐步完善算力基礎設施對于節(jié)能產(chǎn)品、節(jié)能系統(tǒng)、可再生能源和清潔能源以及碳使用管理等綠色低碳管理體系，大力開展節(jié)約資源、節(jié)能降耗的算力基礎設施關鍵技術的研發(fā)，如液冷、高壓直流電（High Voltage Direct Current，HVDC）、模塊化UPS等綠色高效技術，以及氫能、儲能、可再生能源、碳捕集與封存（Carbon Capture and Storage，CCS）技術等節(jié)能減排技術，碳金融、碳管理等手段。建立健全算力基礎設施全生命周期評價體系，加強算力基礎設施綠色低碳運營能力建設，逐步將算力基礎設施接入能耗監(jiān)測平臺，并探索對算力基礎設施實際使用效率進行監(jiān)測，加強算力基礎設施項目的節(jié)能審查和老舊改造。

5  結束語

算力基礎設施是在技術升級、產(chǎn)業(yè)應用和經(jīng)濟轉(zhuǎn)型共同作用下而形成的新型基礎設施，包含數(shù)據(jù)中心、超算中心、智算中心以及邊緣數(shù)據(jù)中心等，將呈現(xiàn)計算異構、算網(wǎng)協(xié)同、算力泛在、綠色低碳等重要發(fā)展趨勢，短期內(nèi)不僅能夠助力穩(wěn)投資、擴內(nèi)需，長期能夠促進數(shù)字基礎設施的建設，有助于力行供給側(cè)結構性改革，支撐數(shù)字經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展。盡管我國算力基礎設施已經(jīng)具備良好的發(fā)展基礎，具有強大的發(fā)展動力，當前在多元異構算力的產(chǎn)業(yè)生態(tài)、算網(wǎng)融合技術演進、算力服務泛在普惠和算力基礎設施產(chǎn)業(yè)的綠色低碳發(fā)展方面仍然存在一定的挑戰(zhàn)，未來仍需加強頂層設計，分類引導施策，深入技術研究，健全標準規(guī)范，優(yōu)化綠色低碳。