當(dāng)前位置：李國杰 來源：中國科學(xué)報 2022-08-01 08:58
信息社會進入智能化新階段，信息基礎(chǔ)設(shè)施的主要作用已不是解決連通問題，而是為人類的生產(chǎn)與生活提供充分的分析、判斷和控制能力，因此，計算能力和大數(shù)據(jù)資源成了新的信息基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵。算力作為數(shù)字經(jīng)濟時代的新生產(chǎn)力，必須實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施化。
算力和GDP呈正相關(guān)的關(guān)系，未來“算力指數(shù)”可能是比“電力指數(shù)”更重要的經(jīng)濟指標(biāo)。因此，未來信息基礎(chǔ)設(shè)施必須通盤考慮算力網(wǎng)和通信網(wǎng)，還要與電力等能源網(wǎng)絡(luò)協(xié)同配合，做好算力、通信、電力網(wǎng)全國一盤棋的頂層設(shè)計，統(tǒng)籌兼顧，力爭全局優(yōu)化。
算力網(wǎng)絡(luò)是新型基礎(chǔ)設(shè)施的一個組成部分，而“東數(shù)西算”又是算力網(wǎng)絡(luò)的一個組成部分。我們要基于經(jīng)濟社會發(fā)展的大邏輯、大格局、大趨勢，做好頂層路線圖的設(shè)計，避免“只見樹木不見森林”。
不同視角下的未來信息基礎(chǔ)設(shè)施
計算機界和通信界對未來的信息基礎(chǔ)設(shè)施有著不同的視角。
計算思維的核心是分層次抽象。對應(yīng)到未來信息基礎(chǔ)設(shè)施，就是以新的抽象來屏蔽不同“云”的差異，實現(xiàn)“跨云計算”。眾所周知，互聯(lián)網(wǎng)“Internet”是網(wǎng)際網(wǎng) （network of network)，未來的信息基礎(chǔ)設(shè)施就是“互聯(lián)云” （Intercloud: cloud of cloud)。
從計算機的視角來看，這是以云為中心，強調(diào)以云調(diào)網(wǎng)、云網(wǎng)融合、一云多網(wǎng)的信息基礎(chǔ)設(shè)施，重點是解決各種軟硬件的不兼容問題。算力網(wǎng)基本載荷單元不是消息，而是計算任務(wù)。核心創(chuàng)新是做任務(wù)交換和高通量的計算，追求低熵有序。
而通信界的視角則是以網(wǎng)絡(luò)為中心，把計算和存儲能力看成是可調(diào)動的資源，即“網(wǎng)調(diào)云”，因而強調(diào)算力資源評估、交易和調(diào)度，目標(biāo)是構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)和計算高效協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)重視算力的感知、異構(gòu)算力的統(tǒng)一標(biāo)識和算力資源的標(biāo)準(zhǔn)化等。
目前，算力網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是 6G與未來網(wǎng)絡(luò)中一項重要的基礎(chǔ)技術(shù)，即在網(wǎng)絡(luò)中部署數(shù)據(jù)處理能力。這一理念目前主要是電信運營商在推動，中國電信等運營商先后發(fā)布了《算力網(wǎng)絡(luò)白皮書》，也提出了國際標(biāo)準(zhǔn)。2021年7月，國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)分局（ITU-T）發(fā)布了第一個算力網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的國際標(biāo)準(zhǔn)Y.2501。算力網(wǎng)絡(luò)的提出不僅僅是技術(shù)發(fā)展趨勢，更是市場競爭的需求。電信運營商希望在“連接+計算”一體化服務(wù)場景下實現(xiàn)業(yè)務(wù)擴展，避免被管道化。
工信部通信科技委常務(wù)副主任、中國電信科技委主任韋樂平曾提出“網(wǎng)是基礎(chǔ)、云為核心、網(wǎng)隨云動、云網(wǎng)一體”，我認(rèn)為這是云網(wǎng)融合一個正確的發(fā)展原則。我希望通信領(lǐng)域的專家考慮網(wǎng)調(diào)云的時候，要充分理解哪些計算資源現(xiàn)在可以通過網(wǎng)絡(luò)進行調(diào)配，哪些現(xiàn)在還不能通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)配。實際情況是，目前只有相當(dāng)少量的計算資源可以調(diào)配，很多還不能調(diào)配。
算力網(wǎng)絡(luò)是一個宏偉的目標(biāo)，前景光明
“人工智能之父”約翰·麥卡錫早在1961年就提出Utility Computing 的目標(biāo)：“有一天，計算可能會被組織成一個公共事業(yè)，就像電話系統(tǒng)是一個公共事業(yè)一樣”。讓計算能力成為像電一樣公共基礎(chǔ)設(shè)設(shè)施（Utility），這是計算機界已經(jīng)奮斗了半個多世紀(jì)的宏偉目標(biāo)。1984年，SUN公司提出的“網(wǎng)絡(luò)就是計算機”也是今天講的“算力網(wǎng)絡(luò)”的美妙前景。
從提出“Utility Computing”的奮斗目標(biāo)開始，計算機界就清楚公共計算服務(wù)與公共電網(wǎng)不同，至少需要關(guān)注三個問題。一是接口——用戶如何和資源進行對接？二是服務(wù)設(shè)備——用戶通過什么設(shè)備將資源轉(zhuǎn)換成服務(wù)？三是產(chǎn)品的異質(zhì)性——計算是一種復(fù)雜的服務(wù)，存在多樣性，不同的編程語言和硬件如何兼容？通過幾十年的努力，已經(jīng)發(fā)明了用于遠程接入的互聯(lián)網(wǎng)、管理物理計算資源的操作系統(tǒng)、把資源分給多人同時使用的虛擬化技術(shù)。近十年廣泛流行的云計算集成了這些技術(shù)，為實現(xiàn)“計算的公共基礎(chǔ)設(shè)施”找到了出路。只要云、邊、網(wǎng)、端都盡可能地實現(xiàn)云化，就有可能將原本不是公共物品的計算能力變成虛擬的公共物品。從長遠目標(biāo)來看，算力網(wǎng)絡(luò)的前景一定是光明的。
算力資源不同于水電，還需大量原始創(chuàng)新
媒體上有些文章將目前在做的算力網(wǎng)絡(luò)與交通網(wǎng)絡(luò)、電力網(wǎng)絡(luò)等量齊觀，認(rèn)為算力現(xiàn)在就可以做到像供水和供電一樣方便，這是太樂觀了。計算能力終究不是像水電一樣具有同質(zhì)性質(zhì)的公共品，每個算力產(chǎn)品都想通過專有的特性贏得競爭，所以算力網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)比交通和能源網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜得多、也困難得多。構(gòu)建算力網(wǎng)的技術(shù)還不成熟，還需要做很多基礎(chǔ)性的原始創(chuàng)新和大量的技術(shù)攻關(guān)。
正在研究突破的與算力網(wǎng)有關(guān)的計算技術(shù)包括：任務(wù)交換技術(shù)、智能流抽象、資源賦名、控域、網(wǎng)程、標(biāo)簽化體系結(jié)構(gòu)、內(nèi)構(gòu)安全、在網(wǎng)計算等等。突破這些技術(shù)都需要付出艱苦的努力。通信與網(wǎng)絡(luò)界也要突破許多關(guān)鍵技術(shù)，其中確定性網(wǎng)絡(luò)對實現(xiàn)性能與用戶體驗可控的算力網(wǎng)絡(luò)具有重要意義。
算力網(wǎng)絡(luò)要為“減熵”做貢獻
傳統(tǒng)的“信息高速公路”的技術(shù)天花板已出現(xiàn)?！靶畔⒏咚俟贰弊裱盁o序共享”原則，這一原則為現(xiàn)有的信息基礎(chǔ)設(shè)施埋下了巨大隱患——性能干擾，用戶可感知的服務(wù)質(zhì)量存在很大的不確定性（從信息論的角度看，就是“熵”比較大）。由于采用大量冗余，各大云計算中心均面臨總體效率不高的問題，許多數(shù)據(jù)中心的利用率甚至不到20%。因此，在計算機界人士的眼中，算力網(wǎng)絡(luò)作為未來網(wǎng)絡(luò)的組成部分，要為“減熵”作貢獻。
中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所提出的“信息高鐵”就是建設(shè)“高通量低熵算力網(wǎng)”?！靶畔⒏哞F”強調(diào)“低熵有序”，針對高通量計算，其性能指標(biāo)是“通量”(goodput，通量 = 任務(wù)吞吐率×良率)，即“保質(zhì)任務(wù)吞吐率”，也就是單位時間完成的保質(zhì)任務(wù)數(shù)。信息高鐵追求的目標(biāo)是“可測、可控、可調(diào)、可信”，希望能顯著改善應(yīng)用品質(zhì)，提升系統(tǒng)通量與效率。
“信息高鐵”按照“一橫一縱”的思路，重新定義下一代信息基礎(chǔ)設(shè)施的邊界?！耙粰M”是通過聯(lián)邦制的方式橫向聯(lián)通，最大化組織起所有愿意共享的大/小數(shù)據(jù)中心的各類異構(gòu)算力資源，為用戶提供統(tǒng)一封裝、抽象易用的算力資源；“一縱”是縱向打通云、網(wǎng)、邊、端全鏈路基礎(chǔ)設(shè)施資源，通過全鏈路多級多維度測調(diào)、控域隔離等方式，實現(xiàn)海量物端應(yīng)用的端到端服務(wù)質(zhì)量確保。
中科院計算所對“信息高鐵”做了初步的測試實驗，結(jié)果表明，不管是任務(wù)的良率還是任務(wù)的通量，都比傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)高出6-7倍。而且，越是負(fù)載高的時候，“信息高鐵”的優(yōu)勢越明顯，良率也是如此。
算力網(wǎng)要避免“帝國制”壟斷運營
從頂層設(shè)計的角度，我認(rèn)為國家算力網(wǎng)的建設(shè)應(yīng)由三部分組成：第一部分是以國家或地方財政建立的公共算力基礎(chǔ)設(shè)施；第二部分是電信運營商和龍頭云服務(wù)商建設(shè)的骨干企業(yè)級算力基礎(chǔ)設(shè)施；第三部分是由大量中小型信息服務(wù)企業(yè)協(xié)作建立的算力網(wǎng)。
算力網(wǎng)的構(gòu)建要高度重視中小企業(yè)。我希望全國的算力網(wǎng)避免單一“帝國制”壟斷運營，探索新型的“聯(lián)邦制”管理模式，激活中小企業(yè)的參與熱情。運行方式是否得當(dāng)，決定著算力網(wǎng)的前途。
在布局上，算力網(wǎng)絡(luò)既要“全局統(tǒng)一”，又要“環(huán)節(jié)解耦”?！叭纸y(tǒng)一”是指全國主要算力中心協(xié)同管理，形成東西互補、南北貫通的一體化算力網(wǎng)，提供統(tǒng)一的算力資源服務(wù)?！碍h(huán)節(jié)解耦”是指算力的設(shè)備提供商、運營商和增值服務(wù)商合理解耦，消費者僅需按統(tǒng)一定價支付費用就可得到多樣性的服務(wù)。在我看來，算力網(wǎng)的生命力在于協(xié)同合作，過分強調(diào)一家企業(yè)的端到端一體化，不利于算力網(wǎng)的發(fā)展。
計算的應(yīng)用可分為實時（數(shù)據(jù)處理）和非實時兩大類。一般而言，有實時要求的應(yīng)用并不要求很強大的算力，但那些面向基礎(chǔ)研究的科學(xué)計算、人工智能的訓(xùn)練等不要求實時的應(yīng)用，往往需要使用超級計算機和超大規(guī)模的人工智能訓(xùn)練平臺。
新藥的研制、新材料的研發(fā)，集成電路等新產(chǎn)品的設(shè)計等，都需要巨大的算力。非實時的計算可能對國家發(fā)展具有更基礎(chǔ)、更長遠的作用，國家級的算力網(wǎng)絡(luò)資源應(yīng)優(yōu)先考慮非實時的高性能計算和智能計算（模型的訓(xùn)練）。實時性強的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和金融網(wǎng)絡(luò)等大多由企業(yè)自建。此外，邊緣計算和物聯(lián)網(wǎng)大多有實時要求，算力網(wǎng)建設(shè)要高度重視確定性網(wǎng)絡(luò)的研究。
不能無限夸大“東數(shù)西算”對減排的貢獻
啟動“東數(shù)西算”工程，有利于集中建設(shè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，促進我國西部地區(qū)的數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展，能在一定程度上緩解東部供電的壓力。但是，放在全國的大盤子上，“東數(shù)西算”工程對全國節(jié)能減排只有一定比例的貢獻，不能無限制地夸大。
數(shù)字中心只要建了，不管建在東部還是西部，都是要耗電的。在西部建數(shù)據(jù)中心有兩方面的好處：
一是西部的PUE值低一點，相對于在東部建數(shù)據(jù)中心，有可能會節(jié)省20%的用電。但如果采用曙光公司發(fā)明的浸沒相變液冷技術(shù)，耗電量對數(shù)據(jù)中心所在地的平均氣溫就不是十分敏感。
二是傳輸線路的損耗，2000公里長距離輸電的損耗是6%左右。兩者加起來，在西部建數(shù)據(jù)中心節(jié)省的用電不會超過西部數(shù)據(jù)中心用電量的30%。根據(jù)中國信通院統(tǒng)計的各省2020年的算力規(guī)模，貴州、甘肅、寧夏、新疆、重慶等西部各省算力總和還不到5Eflops, 只占我國數(shù)據(jù)中心算力總規(guī)模（140Eflops）的4%左右。即使未來幾年翻倍的增長，估計西部新建數(shù)據(jù)中心的算力5年內(nèi)也難以超過全國算力的20%。
全國數(shù)據(jù)中心每年耗電2000億度左右，未來西部數(shù)據(jù)中心最多用電400億度的30% 就是120億度。能節(jié)省120億度電當(dāng)然是值得努力爭取的大事，但與我國總用電量8萬億度相比，只占0.15%。與每年跨省輸電2萬億度相比，也只有西電東輸?shù)?.6%。
因此東數(shù)西算的意義不能光拿省電來說事，也不能把“東數(shù)西算”看是我國算力基礎(chǔ)設(shè)施的整體戰(zhàn)略和全部內(nèi)容，應(yīng)從國家東西部平衡發(fā)展、構(gòu)建全國算力網(wǎng)絡(luò)新基礎(chǔ)設(shè)施的大局著眼。目前東部大城市建數(shù)據(jù)中心的需求很迫切，但沒有用電指標(biāo)，批地也很困難，向西部尋求算力資源是迫切而合理的選擇。
值得指出的是，我國現(xiàn)行的《供電營業(yè)規(guī)則》不允許光伏和風(fēng)力發(fā)電站直接給數(shù)據(jù)中心供電——發(fā)電必須入網(wǎng)，電力統(tǒng)購統(tǒng)銷。這種政策不利于在西部建設(shè)數(shù)據(jù)中心。建議國家給數(shù)據(jù)中心一定的靈活性，推行“源網(wǎng)荷儲一體化”的理念，支持算力跟著能源走，促進綠電的消納。
“東數(shù)西算”取得實效尚需艱苦努力
另外值得注意的是，中西部地區(qū)數(shù)據(jù)中心的在用機架數(shù)的全國占比已上升到39%，超過北京、上海、廣東三個數(shù)據(jù)中心聚集區(qū)的在用機架數(shù)的全國占比（31%），但機器利用率不高?！皷|數(shù)西算”工程在西部建設(shè)的四個數(shù)據(jù)中心基地如何開展業(yè)務(wù)，大幅度提高算力的利用率，要做大量細致的工作?！皷|數(shù)西算”要達到“西電東輸”和“南水北調(diào)”的實效，還要做艱苦的努力。
美國擁有多個開放的、全球性的與算力網(wǎng)有關(guān)的科研創(chuàng)新綜合試驗平臺，它們?yōu)槊绹畔㈩I(lǐng)域科研創(chuàng)新提供了肥沃的土壤；而我國現(xiàn)在僅有一個國家級的未來網(wǎng)絡(luò)實驗平臺，在先進算力、分布式系統(tǒng)、云計算、邊緣計算等領(lǐng)域的國家級科研試驗平臺還處于空白的狀態(tài)。
建議國家盡快成立算力基礎(chǔ)設(shè)施研究中心和“東數(shù)西算”工程技術(shù)的試驗場，建一些開放性的平臺。這些平臺不能是一個“孤島”，應(yīng)該與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)互聯(lián)互通，研發(fā)面向“東數(shù)西算”的聯(lián)邦制管理、算力測調(diào)和搓合交易系統(tǒng)等，形成算力基礎(chǔ)設(shè)施化的核心技術(shù)、基礎(chǔ)軟件和關(guān)鍵系統(tǒng)，并向“東數(shù)西算”工程推廣，加快各環(huán)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)從孵化到完善的全過程，最終形成一套可面向“一帶一路”推廣的新信息技術(shù)體系。
（本報記者趙廣立受權(quán)根據(jù)李國杰院士在信息化百人會第八屆信息戰(zhàn)略論壇上的發(fā)言整理，本文發(fā)表前作者做了必要補充）
原文：https://mp.weixin.qq.com/s/G-hA9eO5wSd-6QkEuigcbA
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