當(dāng)前，人類已經(jīng)進入數(shù)字化、智能化時代，全球經(jīng)濟同數(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)濟結(jié)構(gòu)、改變?nèi)蚋偁幐窬值年P(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，進一步加快人類社會轉(zhuǎn)型進程與數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展。預(yù)計到2025年，數(shù)字經(jīng)濟占全球GDP比重將達41.4%。算力作為新生產(chǎn)力，正在加速數(shù)字經(jīng)濟和實體經(jīng)濟深度融合，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)濟的新動能。發(fā)展計算產(chǎn)業(yè)，建設(shè)算力基礎(chǔ)設(shè)施，對我國在新一輪國際競爭中抓住先機、搶占未來發(fā)展制高點具有重要意義。
發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟首先要發(fā)展算力
聯(lián)合國貿(mào)易和發(fā)展會議發(fā)布的《2021年數(shù)字經(jīng)濟報告》指出，美國和中國在全球數(shù)字經(jīng)濟競爭中脫穎而出，全球50%以上的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心位于美國和中國；過去五年全球人工智能初創(chuàng)企業(yè)融資總額的94%發(fā)生在美國和中國；全球最大的數(shù)字平臺企業(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和中國。
我國數(shù)字經(jīng)濟取得巨大成就，但也存在一些問題，比如數(shù)字產(chǎn)業(yè)附加值不高、數(shù)字經(jīng)濟對傳統(tǒng)經(jīng)濟滲透率較低等，數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展質(zhì)量有待提高。根據(jù)經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國雖然是全球最大的電子產(chǎn)品制造國和出口國，但產(chǎn)業(yè)附加值明顯低于美國、德國、日本和韓國。2020年，我國第二、三產(chǎn)業(yè)的數(shù)字經(jīng)濟滲透率分別是21.0%和40.7%，整體落后于美國、德國等。因此，作為中國經(jīng)濟的有機組成部分，數(shù)字經(jīng)濟面臨提質(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)濟發(fā)展的核心引擎，對提高生產(chǎn)效率的乘數(shù)作用不斷凸顯。挖掘數(shù)據(jù)要素價值，提高全要素生產(chǎn)效率，需要高水平算力供給和強大的計算產(chǎn)業(yè)。因此，應(yīng)認(rèn)真審視算力、計算產(chǎn)業(yè)在數(shù)字經(jīng)濟中的重要地位——算力是核心生產(chǎn)力，計算產(chǎn)業(yè)是數(shù)字經(jīng)濟發(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)力是人類利用勞動資料改造自然并創(chuàng)造價值的能力。算力作為數(shù)字經(jīng)濟時代的關(guān)鍵生產(chǎn)力要素，已經(jīng)成為挖掘數(shù)據(jù)要素價值、推動數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展的核心支撐力和驅(qū)動力。計算的力量將“勞動者”由傳統(tǒng)的人變?yōu)椤叭?人工智能”，“勞動者”可以超越生物極限，呈現(xiàn)指數(shù)增長。例如，隨著無人駕駛技術(shù)的不斷成熟，“司機”可以大批量低成本復(fù)制，工作時間更長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1萬多通電話。生產(chǎn)工具也由傳統(tǒng)的機械升級為算力驅(qū)動的智能化設(shè)備，勞動效率同樣呈現(xiàn)指數(shù)增長。基于AI技術(shù)的藥品揀選機器人，10分鐘即可完成人工2小時的工作量，并且可以做到24小時不停歇。國際機器人聯(lián)合會(IFR)發(fā)布的《世界機器人2021工業(yè)機器人報告》顯示，目前在中國工廠運行的工業(yè)機器人數(shù)量達到創(chuàng)紀(jì)錄的94.3萬臺，并且這一數(shù)據(jù)還在持續(xù)高速增長。數(shù)據(jù)作為算力的處理對象，成為一種新的勞動對象和生產(chǎn)資料，并且不斷演進和催生新的業(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展到線下，方便讓用戶在即時場景下所見即所得地找到感興趣的商品。同時，用戶的品位、關(guān)注點、定位地點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。算力之于智能時代就像電力之于電氣時代，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)成為衡量社會經(jīng)濟發(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經(jīng)濟發(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)，與各個國家或地區(qū)的GDP呈現(xiàn)出明顯的正線性相關(guān)關(guān)系。
從國家層面看，全球經(jīng)濟總量最大并表現(xiàn)出很強經(jīng)濟活力的中美兩國，也是全球服務(wù)器出貨量最大的兩個國家，其數(shù)字經(jīng)濟體量明顯高于其他國家。我國國內(nèi)各省的情況與國家層面類似，北京、上海、廣東和浙江四個地區(qū)每千億GDP的服務(wù)器出貨量遠大于其他省區(qū)市，這四個地區(qū)的數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展也相對更加活躍。國際數(shù)據(jù)公司IDC編制的《2021-2022全球計算力指數(shù)評估報告》顯示，計算力指數(shù)平均每提高1個點，將拉動國家的數(shù)字經(jīng)濟和GDP分別增長3.5‰和1.8‰。
從企業(yè)層面看，2009年全球市值最高的十個企業(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、中國石油、沃爾瑪、中國移動、中國工商銀行等。近兩年來，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)造了巨大價值。
從時間維度看，不同時代全球經(jīng)濟體對先進生產(chǎn)力的投入水平也代表了其經(jīng)濟發(fā)展水平。在以人、畜為代表的生物能消耗的農(nóng)業(yè)時代，中國作為人口大國一直都是全球最大的經(jīng)濟體。在以化石能源為典型消耗的蒸汽時代，英國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)燃機和電力開始成為電氣時代新的生產(chǎn)力，美國的石油和電力全球消耗量第一，成功替代英國成為世界最強大國家。進入以算力為先進生產(chǎn)力的智能時代，美國作為全球服務(wù)器出貨量最大和算力指數(shù)最高的國家，依然保持著世界第一大經(jīng)濟體的地位。中國雖然在發(fā)電量方面遠超美國，但是算力的消耗相差較大，經(jīng)濟發(fā)展水平與美國相比仍有一定差距。
無人物流、家庭機器人、虛擬主持人、虛擬會議、腦機接口等將使第三產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用水平不斷升級；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)濟走向大千世界；蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測、新材料的發(fā)現(xiàn)等體現(xiàn)出算力在科研領(lǐng)域的強大創(chuàng)新力……一場由算力帶來的變革將極大地改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)生活方式，算力已成為智能時代社會經(jīng)濟發(fā)展的核心生產(chǎn)力。
計算產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“時”與“勢”
“問渠那得清如許，為有源頭活水來。”如果說算力是渠中清水，那么計算產(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)，計算產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要審“時”度“勢”，順時而為，應(yīng)勢而動。當(dāng)前傳統(tǒng)計算架構(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)迎來難得的創(chuàng)新機遇期，計算產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)新突破正當(dāng)時。同時，經(jīng)過幾十年的積累發(fā)展，我國計算產(chǎn)業(yè)在應(yīng)用與制造方面形成較好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和龐大的市場需求，國家政策引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)自立自強，這些優(yōu)勢都是全方位、多角度促進中國計算產(chǎn)業(yè)變革發(fā)展的大勢。“時”與“勢”相輔相成，為打造中國計算產(chǎn)業(yè)發(fā)展新格局創(chuàng)造了機會。
從當(dāng)前半導(dǎo)體發(fā)展趨勢來看，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)價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18～24個月便會增加一倍，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)測性能與其實際性能相差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，每個晶體管的功耗會下降，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，但半導(dǎo)體工藝已接近極限。近幾年，處理器性能的年增長速度僅為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速度是52%。因此，面對日益增長的算力需求，特定領(lǐng)域架構(gòu)(DSA)成為滿足算力增長的優(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)用特點設(shè)計簡單的并行方式，從而減少控制邏輯和指令開銷，而通用處理器中高達60%~80%的能耗都是來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)的空間和時間局部訪問特征明顯、可預(yù)測性強，特定領(lǐng)域架構(gòu)可以結(jié)合應(yīng)用數(shù)據(jù)特點明確計算數(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)存訪問延遲及數(shù)據(jù)搬運功耗。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位浮點數(shù)，提升計算并行能力，減少芯片使用面積(即利用相同的資源，可在相同的時間內(nèi)進行一次32位加法操作，或進行2次16位加法操作，或進行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)域語言(DSL)和專用編程模型相結(jié)合，進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，為我國突破高端芯片、補齊產(chǎn)業(yè)鏈、實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級提供難得機遇。
我國擁有全球增長最快的數(shù)字產(chǎn)品市場，服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)等各個領(lǐng)域的市場需求規(guī)模均居全球前兩位。龐大的市場容量為各種創(chuàng)新架構(gòu)提供了廣闊的實驗、實踐環(huán)境。經(jīng)過幾十年的努力，我國在計算系統(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)品已進入量產(chǎn)應(yīng)用，國產(chǎn)現(xiàn)場可編程門陣列(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)軟件迎來新一輪繁榮期，國產(chǎn)操作系統(tǒng)水平不斷提升，與國際主流操作系統(tǒng)的技術(shù)差距逐步縮小。
此外，近幾年量子計算、光計算、DNA計算等革命性新型計算研究發(fā)展迅速，這也是我國打破國外壟斷、實現(xiàn)技術(shù)領(lǐng)先的良好機遇。以量子計算為例，我國科學(xué)家僅用一年多時間便完成對谷歌公司2019年發(fā)布的“懸鈴木”量子芯片的追趕和超越。
近年來，國家出臺一系列支持計算產(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)同的全國一體化大數(shù)據(jù)中心體系。在京津冀、長三角、粵港澳大灣區(qū)等地區(qū)建設(shè)國家樞紐節(jié)點，加快實施“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，強化算力統(tǒng)籌和智能調(diào)度；推動智能計算中心有序發(fā)展，打造智能算力、通用算法和開發(fā)平臺一體化的新型智能基礎(chǔ)設(shè)施，推進云網(wǎng)協(xié)同和算網(wǎng)融合發(fā)展。
構(gòu)建計算產(chǎn)業(yè)發(fā)展新格局
我們要抓住全球計算技術(shù)格局變化的有利時機，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)計和戰(zhàn)略規(guī)劃，實現(xiàn)計算產(chǎn)業(yè)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變和算力供給水平升級。要達成這一戰(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。
首先，要進一步加大技術(shù)創(chuàng)新投入，布局實施重大科技項目，打好關(guān)鍵核心技術(shù)攻堅戰(zhàn)。發(fā)揮我國社會主義制度優(yōu)勢、新型舉國體制優(yōu)勢、超大規(guī)模市場優(yōu)勢，打造自主信息技術(shù)體系，實現(xiàn)計算產(chǎn)業(yè)的自主可控，牢牢把握發(fā)展主動權(quán)。在具體實施過程中，要落實以企業(yè)為主體的國家創(chuàng)新策略，尊重企業(yè)市場主體地位，在研發(fā)、應(yīng)用等各個環(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)前的國產(chǎn)計算產(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)對產(chǎn)業(yè)鏈進行整合重組，推動相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的建立及產(chǎn)業(yè)鏈的分工，建立開放融合的國產(chǎn)計算產(chǎn)業(yè)生態(tài)。同時需要注意的是，發(fā)展自主計算產(chǎn)業(yè)需融入全球體系、參與全球競爭與合作，真正形成以國內(nèi)循環(huán)為主體，國際國內(nèi)雙循環(huán)相互促進的計算產(chǎn)業(yè)大格局。
最后，要大力發(fā)展算力基礎(chǔ)設(shè)施。中國算力總量與美國有一定差距且人均算力差距較大，需進一步加大對算力基礎(chǔ)設(shè)施投資，遵循開放標(biāo)準(zhǔn)、普適普惠、集約高效三個公共基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展原則，提高我國算力供給整體水平。同時，算力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需要考慮未來趨勢，進行科學(xué)長遠規(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，加快人工智能計算和算法服務(wù)的普及，讓人工智能盡快同傳統(tǒng)經(jīng)濟相結(jié)合，推動生產(chǎn)力升級。
(王恩東 中國工程院院士 高效能服務(wù)器和存儲技術(shù)國家重點實驗室主任)