王恩東
中國(guó)工程院院士
高效能服務(wù)器和存儲(chǔ)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任
當(dāng)前，人類已經(jīng)進(jìn)入數(shù)字化、智能化時(shí)代，全球經(jīng)濟(jì)同數(shù)字技術(shù)深度融合，信息技術(shù)已成為重組全球要素資源、重塑全球經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、改變?nèi)蚋?jìng)爭(zhēng)格局的關(guān)鍵力量。新冠肺炎疫情使人們的生產(chǎn)生活從線下更多地向線上轉(zhuǎn)移，進(jìn)一步加快人類社會(huì)轉(zhuǎn)型進(jìn)程與數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展。預(yù)計(jì)到2025年，數(shù)字經(jīng)濟(jì)占全球GDP比重將達(dá)41.4%。算力作為新生產(chǎn)力，正在加速數(shù)字經(jīng)濟(jì)和實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合，不斷催生新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式，成為發(fā)展現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的新動(dòng)能。發(fā)展計(jì)算產(chǎn)業(yè)，建設(shè)算力基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)我國(guó)在新一輪國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中抓住先機(jī)、搶占未來(lái)發(fā)展制高點(diǎn)具有重要意義。
發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)首先要發(fā)展算力
聯(lián)合國(guó)貿(mào)易和發(fā)展會(huì)議發(fā)布的《2021年數(shù)字經(jīng)濟(jì)報(bào)告》指出，美國(guó)和中國(guó)在全球數(shù)字經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出，全球50%以上的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心位于美國(guó)和中國(guó)；過(guò)去五年全球人工智能初創(chuàng)企業(yè)融資總額的94%發(fā)生在美國(guó)和中國(guó)；全球最大的數(shù)字平臺(tái)企業(yè)——蘋果、微軟、亞馬遜、谷歌、臉書（元宇宙）、騰訊和阿里巴巴等也都在美國(guó)和中國(guó)。
我國(guó)數(shù)字經(jīng)濟(jì)取得巨大成就，但也存在一些問(wèn)題，比如數(shù)字產(chǎn)業(yè)附加值不高、數(shù)字經(jīng)濟(jì)對(duì)傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)滲透率較低等，數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展質(zhì)量有待提高。根據(jù)經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（OECD）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國(guó)雖然是全球最大的電子產(chǎn)品制造國(guó)和出口國(guó)，但產(chǎn)業(yè)附加值明顯低于美國(guó)、德國(guó)、日本和韓國(guó)。2020年，我國(guó)第二、三產(chǎn)業(yè)的數(shù)字經(jīng)濟(jì)滲透率分別是21.0%和40.7%，整體落后于美國(guó)、德國(guó)等。因此，作為中國(guó)經(jīng)濟(jì)的有機(jī)組成部分，數(shù)字經(jīng)濟(jì)面臨提質(zhì)增效和提高全要素生產(chǎn)效率的挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)要素是數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心引擎，對(duì)提高生產(chǎn)效率的乘數(shù)作用不斷凸顯。挖掘數(shù)據(jù)要素價(jià)值，提高全要素生產(chǎn)效率，需要高水平算力供給和強(qiáng)大的計(jì)算產(chǎn)業(yè)。因此，應(yīng)認(rèn)真審視算力、計(jì)算產(chǎn)業(yè)在數(shù)字經(jīng)濟(jì)中的重要地位——算力是核心生產(chǎn)力，計(jì)算產(chǎn)業(yè)是數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)。
算力是核心生產(chǎn)力
算力從根本上改造升級(jí)了生產(chǎn)力三要素，成為新的生產(chǎn)力。生產(chǎn)力是人類利用勞動(dòng)資料改造自然并創(chuàng)造價(jià)值的能力。算力作為數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代的關(guān)鍵生產(chǎn)力要素，已經(jīng)成為挖掘數(shù)據(jù)要素價(jià)值、推動(dòng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心支撐力和驅(qū)動(dòng)力。計(jì)算的力量將“勞動(dòng)者”由傳統(tǒng)的人變?yōu)椤叭?人工智能”，“勞動(dòng)者”可以超越生物極限，呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)。例如，隨著無(wú)人駕駛技術(shù)的不斷成熟，“司機(jī)”可以大批量低成本復(fù)制，工作時(shí)間更長(zhǎng)且能夠大大降低因疲勞駕駛、超速、不良天氣等原因?qū)е碌慕煌ㄊ鹿矢怕省Ｔ谌斯た头I(lǐng)域，傳統(tǒng)人工客服一天能打200多通電話，而在線智能客服一天卻能打1萬(wàn)多通電話。生產(chǎn)工具也由傳統(tǒng)的機(jī)械升級(jí)為算力驅(qū)動(dòng)的智能化設(shè)備，勞動(dòng)效率同樣呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)。基于AI技術(shù)的藥品揀選機(jī)器人，10分鐘即可完成人工2小時(shí)的工作量，并且可以做到24小時(shí)不停歇。國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)（IFR）發(fā)布的《世界機(jī)器人2021工業(yè)機(jī)器人報(bào)告》顯示，目前在中國(guó)工廠運(yùn)行的工業(yè)機(jī)器人數(shù)量達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的94.3萬(wàn)臺(tái)，并且這一數(shù)據(jù)還在持續(xù)高速增長(zhǎng)。數(shù)據(jù)作為算力的處理對(duì)象，成為一種新的勞動(dòng)對(duì)象和生產(chǎn)資料，并且不斷演進(jìn)和催生新的業(yè)務(wù)，形成從“產(chǎn)生－使用－新數(shù)據(jù)產(chǎn)生－再使用”的完整閉環(huán)。如互聯(lián)網(wǎng)電商平臺(tái)在擁有龐大的商品數(shù)據(jù)基數(shù)后，能夠?qū)⒔灰琢鞒虜U(kuò)展到線下，方便讓用戶在即時(shí)場(chǎng)景下所見即所得地找到感興趣的商品。同時(shí)，用戶的品位、關(guān)注點(diǎn)、定位地點(diǎn)等行為信息也隨之產(chǎn)生并保存，這些數(shù)據(jù)將被再次用于形成用戶畫像，從而優(yōu)化和提升商品推薦的準(zhǔn)確度。算力之于智能時(shí)代就像電力之于電氣時(shí)代，都是生產(chǎn)力的重要形式，讓生產(chǎn)力得到了前所未有的解放。
算力已經(jīng)成為衡量社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要指標(biāo)。算力作為核心生產(chǎn)力，從宏觀到微觀層面都對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了重大影響。服務(wù)器出貨量作為算力發(fā)展水平的關(guān)鍵指標(biāo)，與各個(gè)國(guó)家或地區(qū)的GDP呈現(xiàn)出明顯的正線性相關(guān)關(guān)系。
從國(guó)家層面看，全球經(jīng)濟(jì)總量最大并表現(xiàn)出很強(qiáng)經(jīng)濟(jì)活力的中美兩國(guó)，也是全球服務(wù)器出貨量最大的兩個(gè)國(guó)家，其數(shù)字經(jīng)濟(jì)體量明顯高于其他國(guó)家。我國(guó)國(guó)內(nèi)各省的情況與國(guó)家層面類似，北京、上海、廣東和浙江四個(gè)地區(qū)每千億GDP的服務(wù)器出貨量遠(yuǎn)大于其他省區(qū)市，這四個(gè)地區(qū)的數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展也相對(duì)更加活躍。國(guó)際數(shù)據(jù)公司IDC編制的《2021-2022全球計(jì)算力指數(shù)評(píng)估報(bào)告》顯示，計(jì)算力指數(shù)平均每提高1個(gè)點(diǎn)，將拉動(dòng)國(guó)家的數(shù)字經(jīng)濟(jì)和GDP分別增長(zhǎng)3.5‰和1.8‰。
從企業(yè)層面看，2009年全球市值最高的十個(gè)企業(yè)基本上都集中在能源、電信、零售、金融等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，如埃克森美孚、中國(guó)石油、沃爾瑪、中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)工商銀行等。近兩年來(lái)，全球市值最高的企業(yè)則集中在互聯(lián)網(wǎng)和人工智能領(lǐng)域，如蘋果、微軟、谷歌、亞馬遜、特斯拉、臉書（元宇宙）、騰訊、阿里巴巴等。這些企業(yè)在算力方面的資產(chǎn)投入較多，正是海量的算力為這些公司創(chuàng)造了巨大價(jià)值。
從時(shí)間維度看，不同時(shí)代全球經(jīng)濟(jì)體對(duì)先進(jìn)生產(chǎn)力的投入水平也代表了其經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。在以人、畜為代表的生物能消耗的農(nóng)業(yè)時(shí)代，中國(guó)作為人口大國(guó)一直都是全球最大的經(jīng)濟(jì)體。在以化石能源為典型消耗的蒸汽時(shí)代，英國(guó)的煤炭消耗水平全球最高，率先在世界上建立起近代工業(yè)體系。隨著石油取代煤炭，以及電的發(fā)明和廣泛應(yīng)用，內(nèi)燃機(jī)和電力開始成為電氣時(shí)代新的生產(chǎn)力，美國(guó)的石油和電力全球消耗量第一，成功替代英國(guó)成為世界最強(qiáng)大國(guó)家。進(jìn)入以算力為先進(jìn)生產(chǎn)力的智能時(shí)代，美國(guó)作為全球服務(wù)器出貨量最大和算力指數(shù)最高的國(guó)家，依然保持著世界第一大經(jīng)濟(jì)體的地位。中國(guó)雖然在發(fā)電量方面遠(yuǎn)超美國(guó)，但是算力的消耗相差較大，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平與美國(guó)相比仍有一定差距。
無(wú)人物流、家庭機(jī)器人、虛擬主持人、虛擬會(huì)議、腦機(jī)接口等將使第三產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用水平不斷升級(jí)；數(shù)字孿生城市、數(shù)字孿生工廠、數(shù)字孿生校園等讓數(shù)字經(jīng)濟(jì)走向大千世界；蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)、新材料的發(fā)現(xiàn)等體現(xiàn)出算力在科研領(lǐng)域的強(qiáng)大創(chuàng)新力……一場(chǎng)由算力帶來(lái)的變革將極大地改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)生活方式，算力已成為智能時(shí)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心生產(chǎn)力。
計(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“時(shí)”與“勢(shì)”
“問(wèn)渠那得清如許，為有源頭活水來(lái)。”如果說(shuō)算力是渠中清水，那么計(jì)算產(chǎn)業(yè)就是活水源頭。作為具有重要戰(zhàn)略意義的支柱產(chǎn)業(yè)，計(jì)算產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要審“時(shí)”度“勢(shì)”，順時(shí)而為，應(yīng)勢(shì)而動(dòng)。當(dāng)前傳統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)的性能提升受限于工藝極限，遇到發(fā)展瓶頸，體系結(jié)構(gòu)迎來(lái)難得的創(chuàng)新機(jī)遇期，計(jì)算產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)新突破正當(dāng)時(shí)。同時(shí)，經(jīng)過(guò)幾十年的積累發(fā)展，我國(guó)計(jì)算產(chǎn)業(yè)在應(yīng)用與制造方面形成較好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和龐大的市場(chǎng)需求，國(guó)家政策引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)自立自強(qiáng)，這些優(yōu)勢(shì)都是全方位、多角度促進(jìn)中國(guó)計(jì)算產(chǎn)業(yè)變革發(fā)展的大勢(shì)。“時(shí)”與“勢(shì)”相輔相成，為打造中國(guó)計(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展新格局創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。
從當(dāng)前半導(dǎo)體發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，通用處理器性能增速逐漸降低。一方面，摩爾定律（該定律指出，當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18～24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍）放緩，2018年根據(jù)摩爾定律得出的處理器預(yù)測(cè)性能與其實(shí)際性能相差15倍；另一方面，登納德縮放比例定律（該定律指出，隨著晶體管密度的增加，每個(gè)晶體管的功耗會(huì)下降，因此，每平方毫米硅的功耗幾乎是恒定的）面臨終結(jié)，從2007年開始大幅放緩，2012年左右接近失效，每平方納米的功耗開始快速升高，導(dǎo)致芯片為了保證散熱而損失部分性能。因此，處理器的晶體管數(shù)量雖仍在增長(zhǎng)，但半導(dǎo)體工藝已接近極限。近幾年，處理器性能的年增長(zhǎng)速度僅為3%，而在20世紀(jì)80年代中期直至21世紀(jì)初，處理器性能的年增長(zhǎng)速度是52%。因此，面對(duì)日益增長(zhǎng)的算力需求，特定領(lǐng)域架構(gòu)（DSA）成為滿足算力增長(zhǎng)的優(yōu)先選擇。
與通用處理器相比，特定領(lǐng)域架構(gòu)能更高效地加速某類應(yīng)用計(jì)算。第一，它面向特定的應(yīng)用領(lǐng)域，可以結(jié)合應(yīng)用特點(diǎn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的并行方式，從而減少控制邏輯和指令開銷，而通用處理器中高達(dá)60%~80%的能耗都是來(lái)源于指令獲取和解析的控制行為。第二，在特定領(lǐng)域架構(gòu)中，數(shù)據(jù)的空間和時(shí)間局部訪問(wèn)特征明顯、可預(yù)測(cè)性強(qiáng)，特定領(lǐng)域架構(gòu)可以結(jié)合應(yīng)用數(shù)據(jù)特點(diǎn)明確計(jì)算數(shù)據(jù)的存放位置和調(diào)度策略，從而更有效地利用內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)，降低內(nèi)存訪問(wèn)延遲及數(shù)據(jù)搬運(yùn)功耗。第三，特定領(lǐng)域架構(gòu)可根據(jù)應(yīng)用需求采用低精度數(shù)據(jù)。例如，在人工智能推理任務(wù)中，完全可以用4位、8位或16位整型數(shù)代替32位浮點(diǎn)數(shù)，提升計(jì)算并行能力，減少芯片使用面積（即利用相同的資源，可在相同的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行一次32位加法操作，或進(jìn)行2次16位加法操作，或進(jìn)行4次8位加法操作）。第四，特定領(lǐng)域架構(gòu)可以與特定領(lǐng)域語(yǔ)言（DSL）和專用編程模型相結(jié)合，進(jìn)一步從軟件層面提升軟硬件協(xié)同性能。第五，特定領(lǐng)域架構(gòu)的研發(fā)成本和技術(shù)壁壘更低，不僅可以避開昂貴的通用架構(gòu)授權(quán)，采用成本更低的成熟半導(dǎo)體工藝，而且更容易構(gòu)建應(yīng)用生態(tài)，加速產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，為我國(guó)突破高端芯片、補(bǔ)齊產(chǎn)業(yè)鏈、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)提供難得機(jī)遇。
我國(guó)擁有全球增長(zhǎng)最快的數(shù)字產(chǎn)品市場(chǎng)，服務(wù)器、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等各個(gè)領(lǐng)域的市場(chǎng)需求規(guī)模均居全球前兩位。龐大的市場(chǎng)容量為各種創(chuàng)新架構(gòu)提供了廣闊的實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐環(huán)境。經(jīng)過(guò)幾十年的努力，我國(guó)在計(jì)算系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)、產(chǎn)業(yè)鏈布局等方面已具備一定基礎(chǔ)。國(guó)產(chǎn)處理器芯片自主化生態(tài)體系加速構(gòu)建，部分產(chǎn)品已進(jìn)入量產(chǎn)應(yīng)用，國(guó)產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）同世界領(lǐng)先水平的差距也在快速縮小。操作系統(tǒng)與基礎(chǔ)軟件迎來(lái)新一輪繁榮期，國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)水平不斷提升，與國(guó)際主流操作系統(tǒng)的技術(shù)差距逐步縮小。
此外，近幾年量子計(jì)算、光計(jì)算、DNA計(jì)算等革命性新型計(jì)算研究發(fā)展迅速，這也是我國(guó)打破國(guó)外壟斷、實(shí)現(xiàn)技術(shù)領(lǐng)先的良好機(jī)遇。以量子計(jì)算為例，我國(guó)科學(xué)家僅用一年多時(shí)間便完成對(duì)谷歌公司2019年發(fā)布的“懸鈴木”量子芯片的追趕和超越。
近年來(lái)，國(guó)家出臺(tái)一系列支持計(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策措施，加快構(gòu)建算力、算法、數(shù)據(jù)、應(yīng)用資源協(xié)同的全國(guó)一體化大數(shù)據(jù)中心體系。在京津冀、長(zhǎng)三角、粵港澳大灣區(qū)等地區(qū)建設(shè)國(guó)家樞紐節(jié)點(diǎn)，加快實(shí)施“東數(shù)西算”工程，提升數(shù)據(jù)中心跨網(wǎng)絡(luò)、跨地域數(shù)據(jù)交互能力，強(qiáng)化算力統(tǒng)籌和智能調(diào)度；推動(dòng)智能計(jì)算中心有序發(fā)展，打造智能算力、通用算法和開發(fā)平臺(tái)一體化的新型智能基礎(chǔ)設(shè)施，推進(jìn)云網(wǎng)協(xié)同和算網(wǎng)融合發(fā)展。
構(gòu)建計(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展新格局
我們要抓住全球計(jì)算技術(shù)格局變化的有利時(shí)機(jī)，從核心技術(shù)、產(chǎn)業(yè)生態(tài)、算力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面做好頂層設(shè)計(jì)和戰(zhàn)略規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)計(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變和算力供給水平升級(jí)。要達(dá)成這一戰(zhàn)略目標(biāo)，需要政府和企業(yè)協(xié)同合作，把“看得見的手”和“看不見的手”結(jié)合起來(lái)。
首先，要進(jìn)一步加大技術(shù)創(chuàng)新投入，布局實(shí)施重大科技項(xiàng)目，打好關(guān)鍵核心技術(shù)攻堅(jiān)戰(zhàn)。發(fā)揮我國(guó)社會(huì)主義制度優(yōu)勢(shì)、新型舉國(guó)體制優(yōu)勢(shì)、超大規(guī)模市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，打造自主信息技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)計(jì)算產(chǎn)業(yè)的自主可控，牢牢把握發(fā)展主動(dòng)權(quán)。在具體實(shí)施過(guò)程中，要落實(shí)以企業(yè)為主體的國(guó)家創(chuàng)新策略，尊重企業(yè)市場(chǎng)主體地位，在研發(fā)、應(yīng)用等各個(gè)環(huán)節(jié)為企業(yè)提供系統(tǒng)性支持，形成技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用創(chuàng)新的良性循環(huán)。
其次，要構(gòu)建開放融合的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。當(dāng)前的國(guó)產(chǎn)計(jì)算產(chǎn)業(yè)較為分散，不利于自主技術(shù)創(chuàng)新和自主產(chǎn)業(yè)發(fā)展。應(yīng)對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行整合重組，推動(dòng)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的建立及產(chǎn)業(yè)鏈的分工，建立開放融合的國(guó)產(chǎn)計(jì)算產(chǎn)業(yè)生態(tài)。同時(shí)需要注意的是，發(fā)展自主計(jì)算產(chǎn)業(yè)需融入全球體系、參與全球競(jìng)爭(zhēng)與合作，真正形成以國(guó)內(nèi)循環(huán)為主體，國(guó)際國(guó)內(nèi)雙循環(huán)相互促進(jìn)的計(jì)算產(chǎn)業(yè)大格局。
最后，要大力發(fā)展算力基礎(chǔ)設(shè)施。中國(guó)算力總量與美國(guó)有一定差距且人均算力差距較大，需進(jìn)一步加大對(duì)算力基礎(chǔ)設(shè)施投資，遵循開放標(biāo)準(zhǔn)、普適普惠、集約高效三個(gè)公共基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展原則，提高我國(guó)算力供給整體水平。同時(shí)，算力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需要考慮未來(lái)趨勢(shì)，進(jìn)行科學(xué)長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，在技術(shù)上適度超前。在云數(shù)據(jù)中心、超算中心、大數(shù)據(jù)中心、智算中心等不同數(shù)據(jù)中心中，可以適度超前發(fā)展前沿的智算中心，加快人工智能計(jì)算和算法服務(wù)的普及，讓人工智能盡快同傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)相結(jié)合，推動(dòng)生產(chǎn)力升級(jí)。
來(lái)源：《中國(guó)網(wǎng)信》2022年第4期
