算網城市發展路徑研究

王宏羽 邱奔 王少鵬

(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

算力作為數字經濟時代的新型生產力,已成為賦能科技創新、推動產業升級、滿足美好生活的重要基礎。狹義上,算力是數據中心服務器處理數據并實現結果輸出的能力;廣義上,算力用于支撐數字業務處理,是實現數據計算、存儲和轉發的綜合能力,是信息計算力、數據存儲力、網絡運載力的綜合體現[1]。當前,隨著數字應用場景的逐步深化,各領域對算力資源的需求在快速增長,對算力基礎設施服務能力的要求也在不斷提升。

各國政府及地區高度重視算力及算力基礎設施的布局建設:美國《國家戰略性計算計劃:引領未來計算》聚焦提升算力基礎設施建設水平[2];歐盟委員會《2030數字指南針:歐洲數字十年之路》提出構建安全、高性能、可持續的數字基礎設施,全方位提高數字經濟產值[3];我國將數據納入生產要素,將算力基礎設施納入新基建的范疇,穩步推進數字經濟發展。然而,目前我國算力資源的分布和利用仍存在諸多問題,如資源閑置、利用率低、地域分割等,這些問題制約了我國算力進一步提升和應用。算網城市旨在通過構建算力“一張網”,實現算力統一調度和優化配置,對于提升我國數字經濟整體競爭力,推動經濟社會高質量發展具有重要意義。

1 算網城市發展背景

1.1 算網城市政策背景

我國高度重視算力產業發展,持續發布多項政策文件,引導和支持算力基礎設施建設。為把握數字經濟戰略機遇,構建算力發展新格局,《全國一體化大數據中心協同創新體系算力樞紐實施方案》首次提出支持開展“東數西算”示范工程建設,通過設立八大樞紐節點和十大數據中心集群引導我國算力產業均衡布局、協同一體發展;《“十四五”數字經濟發展規劃》提出有序推進信息網絡基礎設施優化升級,加強算力統籌和智能調度,推動算網融合發展;《數字中國建設整體布局規劃》指出要系統優化算力基礎設施布局,實現數字基礎設施高效聯通,數據資源規模和質量加快提升;《算力基礎設施高質量發展行動計劃》鼓勵加強計算、網絡、存儲和應用協同創新,推進算力基礎設施高質量發展,充分發揮算力對數字經濟驅動作用。

我國各地政府均圍繞算力基礎設施領域出臺相關政策,進行產業布局?！渡虾Ｊ羞M一步推進新型基礎設施建設行動方案(2023—2026年)》明確加強對網絡、算力、數據等基礎設施的建設,到2026年建成超大規模城市智能終端設施體系[4]。天津市《關于做好算力網絡建設發展工作的指導意見》從算力、存力、運力三方面統籌部署,制定了算力設施、存力體系、運力網絡和應用賦能等重點任務[5]。青海省《綠色零碳算力網絡建設行動計劃(2023—2025年)》按照構建全國一體化算力網絡協同創新體系的要求,統籌推進青海一體化算力網絡布局[6]。

1.2 算網城市建設現狀

算力基礎設施是為客戶提供計算、存儲和網絡等算力服務的載體,能夠根據不同的業務需求,對計算資源進行按需分配與靈活調度[7]。當前,“東數西算”工程進入全面建設階段,算力基礎設施建設全面提速。以政府為主導,以電信運營商為引領,以第三方服務商為支撐保障,加速織就全國算力“一張網”。在此過程中,算力網絡布局日益完善,算力基礎設施產業鏈逐漸成熟,共同推動算網城市發展。

我國算力基礎設施建設已取得初步成效,截至2023年6月底,我國算力總規模達到197 EFLOPS,存力總規模超過1 080 EB[8]。隨著新一代信息通信技術的快速發展,計算、存儲和網絡需求仍將大幅提升。我國高度重視算力、存力和運力高質量協同和一體化發展,不斷加大對相關基礎設施的資金投入和技術創新。

面對不斷增長的計算需求,算力基礎設施將各類計算資源(如中央處理器、圖形處理器等)和網絡資源進行深度融合,通過集中控制或分布式調度方式,為各類數字化應用場景提供可靈活調度的計算服務。當前,全球算力技術創新活躍,異構計算成為智能計算周期高算力主流架構[9],液冷技術推動算力基礎設施綠色可持續發展[10],這些技術的發展和應用為我國算網城市建設奠定堅實基礎。

存儲產品以先進存儲、全閃存儲和存算分離等為當前技術熱點[11]。集中式存儲、分布式存儲、超融合存儲、備份存儲、服務器存儲等設備均已向全閃存化演進,固態硬盤介質替代機械硬盤介質向存儲高密度發展,存儲效率不斷得到優化,進一步降低數據存儲耗能。在數據存儲安全可信能力方面,存力基礎設施安全是算網城市建設的安全底座。

網絡基礎設施主要由用戶入算、算力設施間和算力設施內網絡三大部分組成[12]。在用戶入算網絡方面,IP承載網、光傳送網(Optical Transport Network,OTN)、切片分組網(Slicing Packet Network,SPN)、 軟件定義廣域網(Software Defined Wide Area Network,SD-WAN)等技術應用能夠為用戶提供泛在網絡接入。在算力設施間網絡方面,400 GE、800 GE光模塊和C+L波段光頻帶擴展技術用以提高算力設施間網絡高速互聯能力,互聯網協議第6版分段路由(Segment Routing over Internet Protocol Version 6,SRv6)技術和光交叉連接(Optical Cross-Connect,OXC)靈活調度等技術提高了網絡彈性敏捷程度。在算力設施內網絡方面,超融合以太網通過負載均衡算法、端網協同擁塞控制等技術保障網絡零丟包、低時延、高吞吐性能。

2 算網城市內涵架構

2.1 算網城市基本內涵

算網城市依托網絡基礎設施底座,對城市中的算存資源進行有效整合、靈活調度和充分利用,通過泛在的算網設施為用戶提供便捷的應用服務,滿足城市治理、產業升級、經濟發展和民生服務等社會各方的算力需求。算網城市發展的本質是強化算網能力建設,推動算力基礎設施化,打破多源異構資源之間的壁壘,使其能夠像水、電一樣隨取隨用。算網城市整體呈現泛在靈活、安全高速、創新協同和系統長期的特征。

2.2 算網城市總體架構

算網城市建設以數據中心、智能計算中心、超級計算中心等算力設施為支點,融合了數據中心、邊緣計算、網絡等技術,為城市各行各業提供了強大的數據處理和計算能力,實現了城市各領域數據實時感知、傳輸、處理與存儲。算網城市并不僅僅涉及一項具體的技術,而是需要從技術創新、體制機制等多個層面對城市算力資源進行統一規劃設計。本文中的算網城市以“3+1”為總體架構(見圖1),即以算力基礎設施層、算網管理編排層、算網運營服務層為核心,以算網融合應用層為承接,實現算力資源全面整合、高效調度以及價值釋放,推動算力從供給、調配、運營和消費全鏈條解耦,促進城市算力資源有序高效發展,全面助推數字中國建設。

圖1 算網城市總體架構

算力基礎設施層是奠定算網城市建設的“重要基石”。該層利用現有的算力基礎設施、網絡基礎設施提供算網資源,充分聚合計算、存儲、網絡三大能力,向上提供池化資源能力。該層涵蓋算力和網絡等方面的創新技術,例如異構計算、算力卸載、無損網絡以及全光高速互聯等技術。

算網管理編排層是實現算網城市建設的“智慧大腦”。該層基于算力資源與上層業務需求的邏輯關系,通過算力資源全域態勢感知、跨域融合編排、統一路由調度等技術,考慮業務服務級別協議需求、網絡負載、算力分布等因素,智能動態計算最優協同策略,實現整體算力資源的靈活部署與動態匹配,完成全網算力資源的統一度量、感知和編排。

算網運營服務層是保障算網城市建設的“管理中心”。該層對接城市算力資源提供方與資源應用需求方,協同管理算力的運營過程。通過算力運營為算力需求方提供更加優質的算力資源,使需求方更快獲取算力應用。同時,通過算力運營使算力資源提供方能夠更好地進行算力資源交易,在實現更大經濟收益的同時,促進全社會算力資源高效流通和利用。

算網融合應用層是賦能算網城市建設的“服務大廳”(見圖2)。該層向多重數字化應用場景提供泛在靈活的算力服務,滿足城市個人、企業、政府等不同群體多樣化算力需求,為新型工業化、智慧教育、數字金融、智慧交通、智慧醫療和能源互聯網等領域的發展升級提供算力支撐。通過算力調度在垂直領域的應用與拓展,更加豐富了算力流通場景。算力與業務的深度融合,既是對算力資源價值的全面釋放,又激發了產業發展的價值潛能。

圖2 算網融合應用層主要架構

3 算網城市建設意義

促進算力資源高效利用。當前,我國面臨算力資源分布不均衡、利用效率不高的問題,算網城市建設將成為解決這一問題的有效途徑。通過科學合理的規劃和布局,算網城市能夠實現城市范圍內算力資源集中化管理和最優化調度,這將打破傳統算力資源利用模式,提高資源利用效率,確保算力資源能夠根據實際需求進行動態分配,最大程度上滿足各行業、各領域的計算需求。

推動城市數字化轉型。算網城市基于統籌規劃,通過對智能計算中心、邊緣計算中心等算力基礎設施的合理布局,構建高效穩定、覆蓋全城的算力網絡,打造統一的算力管理和調度平臺,這將大幅提升城市整體運算能力與效率,為城市發展注入新的活力。此外,算網城市建設將更好發揮算力對城市產業升級和技術創新的驅動作用,從長遠看有助于降低各行各業算力使用門檻與數字化轉型難度,更好滿足各行各業日益增長的數字化場景應用需求,這對于增強城市競爭力、推動城市數字化轉型發展具有重要意義。

賦能千行百業發展。隨著各行各業數字化轉型的深入推進,對于算力的需求也日益增長。算網城市建設將滿足各行各業對于算力的需求,賦能創新發展。算網城市能夠為工業、教育、金融、交通、醫療、能源等行業提供定制化的算力服務方案,推動行業實現數字化轉型和高質量發展。同時,鼓勵有條件的大中型城市先行建設算網城市并逐漸輻射全國,將為不同地區和行業之間的合作提供便利,推動數字經濟跨地區、跨行業的融合發展,促進數字技術在傳統產業中的廣泛應用和創新,加速數字經濟的全面發展。

筑牢數字經濟底座。作為數字經濟的底座,算力基礎設施的重要性不言而喻。算網城市建設將夯實數字經濟的底座,為數字技術的研發應用提供強大穩定的支撐,這將有助于推動我國數字經濟健康有序發展,增強我國在全球數字經濟競爭中的話語權和影響力。同時,隨著算網城市建設的推進,將吸引更多的創新資源、人才和企業聚集,有助于形成良好的數字經濟發展生態,為我國經濟高質量發展注入源源不斷的動力。

4 算網城市建設路徑

加強頂層規劃設計,引領全面協調發展。頂層規劃設計將為算網城市建設提供有力的保障。在國家層面,應繼續強化布局全國一體化大數據中心,圍繞計算、存儲和網絡等方面進一步加大支持力度,支撐“東數西算”工程高質量有序推進。在地方層面,有關部門應加強相關工作的組織和協調,建立完善的城市算力發展規劃,著力優化城市算力網絡布局,推動城市算力資源協同發展、梯次互補,確保城市算力的可持續增長,并與城市發展的整體目標相協調。同時,應加強算網城市標準體系建設,促進算力資源的合理配置和高效利用。

完善基礎設施布局,夯實算力發展底座。當前,我國算力基礎設施布局尚不完善,存在區域發展不平衡、算力資源利用效率低等問題。算力基礎設施作為算網城市的基本底座,應加快謀篇布局。落實《算力基礎設施高質量發展行動計劃》等政策文件,明確發展目標、重點任務和保障措施,確保各項工作有序推進。同時,結合城市發展需求,統籌規劃算力基礎設施布局,加強區域間協同,形成高效、合理的算力資源分布格局。加大科研投入,推動算力技術創新,提高算力基礎設施的技術水平和運行效率。建立健全算力基礎設施安全保障體系,加強網絡安全防護,確保算力基礎設施穩定運行。

推動政企多方參與,共謀算力產業未來。算網城市建設需要各級政府、企業和用戶等各類市場主體共同參與,多方互促互補、形成合力。由政府發揮主導作用,建立健全工作協調機制,確保各項任務落到實處。出臺支持算網城市建設的政策措施(如稅收優惠、資金扶持等),引導社會資本投入算力產業,共同推動算力技術創新和應用拓展,培育壯大算力產業生態,促進算力與各行各業融合發展。進一步加強算力人才的培養和引進力度,為算力產業發展提供智力支持。同時,加強宣傳引導,提升社會各界對算力產業的認知度和參與度。

打造算網城市標桿,塑造數字發展高地。選取具有代表性的城市和地區,打造一批國家級的算網城市標桿,其對于引導城市制定算力網絡建設規劃和技術標準,開展算力網絡技術創新和人才培養,培育健康可持續的算網城市產業生態等都具有重要意義。算網城市標桿的建設將在全國范圍內形成示范效應,形成可復制推廣的經驗和模式。未來,示范城市可作為我國加強對外交流合作的重點城市,進一步探索實現算力與數字金融、新能源等的協同出海,開啟與全球互聯互通的新篇章。

5 結束語

本文探討了算網城市的發展背景與建設意義,對其基本內涵與總體架構進行了深入分析,并提出了相應的發展路徑建議。未來,隨著數字技術的不斷創新和普及,算網城市將成為推動城市可持續發展的重要力量。算網城市具有數據驅動、智能化決策、資源優化配置等特點,將有利于簇生一個高度智能化、網絡化、協同化的未來城市,為我國數字經濟發展提供新的動力。各地政府應加強對算網城市發展的重視和支持,完善相關政策和法規,推動算網城市健康、快速發展,為建設數字中國作出貢獻。