算力基礎設施的現狀、趨勢和對策建議

李潔 王月

(中國信息通信研究院云計算與大數據研究所，北京 100191)

0 引言

當前，云計算、人工智能、大數據等新一代信息技術快速發展，傳統產業與新興技術加速融合，數字經濟蓬勃發展。算力基礎設施作為各個行業信息系統運行的算力載體，已成為經濟社會運行不可或缺的關鍵基礎設施，在數字經濟發展中扮演至關重要的角色。2019年，美國發布《國家戰略性計算計劃：引領未來計算》，將計算能力提升到國家戰略高度，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，一體化發展、新型數據中心、算力基礎設施等概念相繼提出。2020年4月，國家發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，包含以數據中心、智能計算中心為代表的算力基礎設施等[1]。算力基礎設施內涵外延廣泛，建設運營主體豐富，技術環節眾多，需要多方統籌協調、共同參與，促進其高質量發展。

1 算力基礎設施的內涵和外延

算力基礎設施本質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展，國家及地方相關政策文件提出了云數據中心、智算中心、一體化大數據中心等概念。經深入分析，發現這些概念是從數據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據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，如數據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的名詞概念，新型計算中心概念不斷涌現，如新基建政策中出現的算力基礎設施、一體化大數據中心和行業大數據中心；三是技術融合，云計算、大數據、人工智能等新技術的興起與發展，市場應用需求的導向，引發傳統數據中心發生技術變革，使其成為技術創新的制高點，成為技術密集型產業[2]，并催生新型計算中心形態，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、數據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，實現跨區域、跨領域、跨部門協作，公共算力和商業算力共同提供服務，滿足我國科技創新、產業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、算力傳輸和IT能力服務為一體的ICT服務?？紤]到算力本身是通過硬件、操作系統、數據庫產業生態，算力資源與網絡傳輸的共同作用，算力服務與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絡基礎設施對外提供服務等內容。這更符合我國經濟社會數字化轉型，對算力多元化供給、普惠化使用、便捷化連接的現實需要。

算力基礎設施是新基建的核心組成部分，對于我國數字經濟發展支撐意義重大。一方面，通過深度應用互聯網、大數據、人工智能等新興技術，算力基礎設施支撐傳統基礎設施轉型升級，形成融合基礎設施。另一方面，通過持續支持科學研究、技術開發和產品研制，算力基礎設施支撐創新基礎設施的落地建設和創新發展。在全球經濟狀態低迷、國際貿易沖突加劇和新冠肺炎疫情暴發的經濟大幅下行壓力之際，算力基礎設施具備固定資產投資和數字基礎設施雙重屬性，可推動我國經濟高質量發展。短期來看，算力基礎設施能夠發揮固定資產投資的作用，發揮投資的“逆周期”調節作用，助力穩投資、擴內需，緩解當下之急；長期來看，算力基礎設施能夠促進數字基礎設施的建設發展，有助于力行供給側結構性改革，實現新舊動能轉換、增長方式轉型的經濟高質量發展。

2 算力基礎設施的發展趨勢

2.1 多元算力需求推動算力基礎設施規模大幅增長

數據中心方面，從產業需求來看，5G、工業互聯網、物聯網、人工智能等信息技術與應用正加速發展和布局，數據量暴增，對數據中心的需求不斷增長。預計未來幾年，我國數據中心產業仍將繼續保持高速增長趨勢。截至目前，數據中心在算力基礎設施總體規模中占比最高，超過90%，未來幾年數據中心規模將保持年均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，隨著產業升級和企業數字化轉型加快，高性能算力需求不斷旺盛，超算中心也將在“十四五”期間迎來新發展階段。邊緣數據中心方面，未來，隨著5G、工業互聯網建設推進，邊緣算力需求將日益迫切，邊緣數據中心建設部署將進一步加快[3-4]。

2.2 算網協同實現算力資源的優化整合和敏捷連接

隨著5G、物聯網和工業互聯網等技術的發展，海量邊緣數據爆發式增長，以云計算為核心的集中式大數據時代，在網絡延遲、隱私安全和能效等方面，已無法滿足邊緣數據處理需求，邊緣計算應運而生，算力需求從云和端向網絡邊緣擴散下沉，高效算力需要深度融合計算和網絡，實現計算資源和網絡資源的敏捷連接。算網融合通過網絡分發服務節點的算力信息、存儲信息、算法信息等，結合網絡信息(如路徑、時延等)，針對用戶需求，提供最佳的資源分配及網絡連接方案，從而實現整網資源的最優化使用。算網協同的最終形態，或將形成多種算力交易平臺、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

數據中心方面，大型數據中心和邊緣數據中心將協同發展?！吨腥A人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》提出加快構建全國一體化大數據中心體系，建設若干國家樞紐節點和大數據中心集群。國家發展和改革委員會、工業和信息化部等四部門發布《關于加快構建全國一體化大數據中心協同創新體系的指導意見》《全國一體化大數據中心協同創新體系算力樞紐實施方案》，提出建設大型數據中心建設的八大節點，為我國數據中心產業布局指明方向。隨著邊緣計算的推廣應用，邊緣數據中心在業界逐步探索建設應用，互聯網頭部企業紛紛開啟邊緣計算節點布局。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網，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，智算中心算力規模迅速擴大，為人工智能算力的商業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，隨著互聯網快速發展，全球數據中心規模高速增長，能效水平成為產業關注熱點，封閉冷熱通道、提高出風溫度、優化供配電設備效率、充分利用自然冷源等綠色節能技術不斷推廣應用，數據中心能效管理從粗獷發展進入精細管理，全球數據中心總體能效水平快速提高[5]，我國數據中心能效水平不斷提升，部分優秀綠色數據中心案例已全球領先[6]。算力基礎設施的供配電系統、冷卻系統等設施組成功能與數據中心相似，數據中心領域應用的新一代綠色技術已經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綠色發展，我國提出雙碳發展戰略，雙碳戰略的提出將從內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外縱深擴展；從產品上看，供配電系統、制冷系統、IT設備等將會朝著節能高效的方向發展；從運營上看，智能運維[7]、余熱回收[8]、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

3.1 多元算力設施建設薄弱，產業生態體系仍需完善

設施層面，當前數據中心規模占比最高，超過90%，而超算中心、智算中心和邊緣數據中心總體規模較小，出現專用算力不足、部分地區通用算力過剩、能耗成本過高的局面，無法滿足國防科技、產業轉型和社會生活對于多元普惠算力的需求。生態層面，多樣性算力面臨挑戰，硬件、操作系統、數據庫的多樣性算力產業體系需多方共建，軟硬件自主研發投入不足，標準評測體系有待完善。國內硬件產品存在嚴重的同質化競爭現象，軟件投入和應用難以支撐上層業務發展。算力衡量指標多維，而現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，制約了產業的進一步發展。

3.2 算力標識和度量尚未統一，算網融合處于研究階段

算力的標識和度量是全網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。算力的統一標識和度量需要考慮諸多因素，在計算系統中，需要考慮精度、操作、指令、芯片、系統級的分層度量，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一的標準來比較不同計算機的性能。而且，算網協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，也取決于計算節點的服務能力和業務的支撐能力。當前，算網協同處于研究階段，其實現路徑業內存在較多的討論，中國移動、中國聯通等運營商提出了相關的實現路徑和實踐案例，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，服務實體經濟比例嚴重不足

國內算力布局存在供需對接失衡，主要體現在3個方面。一是中西部地區算力過剩，中西部地區應用需求不足，導致供給余量較大，“東數西算”模式尚未形成規模，造成資源閑置和浪費。二是用于產業互聯網的算力不足，過去十年，主要由消費互聯網帶動算力市場發展，而未來十年，產業互聯網將是算力市場的主要動力，在不考慮網絡等因素的情況下，當前的算力建設應用顯然存在與產業互聯網發展需求不匹配的情況。當前，算力基礎設施服務于傳統行業和實體經濟的比例較低，以提供通用算力為主的數據中心市場為例，服務于傳統行業的比例不足10%。三是算力使用門檻較高，企業缺乏相關數字化轉型人才，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

算力基礎設施的發展，很大程度上帶來人力的解放和生產效率的提升，有助于提升社會整體能效，加速實現碳減排和碳中和，但是未來，隨著算力基礎設施規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。以數據中心為例，2020年我國數據中心耗電量突破900億千瓦時，碳排放量達0.6億噸。據中國信息通信研究院云計算與大數據研究所測算，到2030年，我國數據中心耗電量將超過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為主要節能途徑的方法取得了較大的成效[9]，同時，全球算力基礎設施的PUE降低放緩，節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，部分傳統數據中心負載率不高、綠色管理不到位等造成數據中心能效改善效果不明顯。

4 促進算力基礎設施高質量發展的相關建議

4.1 筑基多元算力產業，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能力，穩固產業鏈基礎，包括基礎軟硬件自主研發，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，推動行業標準化、通用化，促進各產品兼容性相關測試規范和標準的制定，并開展多元算力測試驗證促進產業鏈成熟。有序分類建設算力基礎設施，持續支撐消費互聯網的算力需求，有序應對產業互聯網發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、產業應用、城市治理和用戶需求等因素，建設與數字經濟相適應的算力基礎設施。

4.2 深入算網協同研究，積極促進算力和網絡協同發展

加強算網協同技術研究和應用實踐，深入探討算網協同工作重點、難點和發展路徑。一方面，加快網絡優化和技術創新，聯合應用方、設備供應商、第三方數據中心運營商、科研院校等產業界多方力量，通過標準的聯合制定，形成面向社會各行各業、各類用戶使用的網絡，開展技術研究和產業應用創新，形成更好的算力傳輸網絡。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、服務優先、效率至上的算力市場，激發算力提供的水平以及算力消費的能力。通過對網絡和算力的雙方面推動，逐漸推動網絡和算力的協同、融合。形成網絡與算力協調發展的局面，提供一體化的算力服務。

4.3 統籌算力資源布局，持續推動算力應用向傳統行業滲透

統籌協調算力資源，各類算力基礎設施需求各異，應分類引導、施策。從網絡質量要求來看，對時延丟包、供電能力、運行穩定性、安全性要求極高的業務，應推動市場按需部署邊緣數據中心；對時延丟包、運行穩定性的要求較高的業務，應重點布局京津冀、長三角、粵港澳、成渝等地區數據中心和云算力集群。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、推理需求的業務，應推進技術提供方、產業用戶等加快智能計算中心建設。推動算力服務與傳統行業的技術融合、人才交流和商業合作，一方面，加強技術研究和標準研制，推進低代碼無代碼開發平臺的相關標準工作。另一方面，通過示范試點工程為傳統行業數字化轉型的成果應用提供大規模推廣的基礎，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先提供支持。

4.4 關注綠色低碳算力，堅持探索綠色節能低碳減排新技術

完善算力基礎設施綠色低碳監管體系，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能產品、節能系統、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，大力開展節約資源、節能降耗的算力基礎設施關鍵技術的研發，如液冷[10]、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)技術等節能減排技術，碳金融、碳管理等手段[11]。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測平臺，并探索對算力基礎設施實際使用效率進行監測，加強算力基礎設施項目的節能審查和老舊改造。

5 結束語

算力基礎設施是在技術升級、產業應用和經濟轉型共同作用下而形成的新型基礎設施，包含數據中心、超算中心、智算中心以及邊緣數據中心等，將呈現計算異構、算網協同、算力泛在、綠色低碳等重要發展趨勢，短期內不僅能夠助力穩投資、擴內需，長期能夠促進數字基礎設施的建設，有助于力行供給側結構性改革，支撐數字經濟高質量發展。盡管我國算力基礎設施已經具備良好的發展基礎，具有強大的發展動力，當前在多元異構算力的產業生態、算網融合技術演進、算力服務泛在普惠和算力基礎設施產業的綠色低碳發展方面仍然存在一定的挑戰，未來仍需加強頂層設計，分類引導施策，深入技術研究，健全標準規范，優化綠色低碳。