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信通院:算力技术多元化创新 我国算力发展水平稳步提升
[ 通信界 / 马秋月 / www.cntxj.net / 2022/11/10 10:58:16 ]
 

通信界 算力是数字时代的新生产力,甚至算力已经成为全球数字经济发展新引擎和各国战略竞争新焦点。近日,中国信通院发布《中国算力发展指数白皮书(2022年)》,其中指出目前算力技术多元化创新,同时我国算力发展水平实现稳步提升。

算力技术呈现多元化创新

当前算力发展也面临应用多元化、供需不平衡的挑战:一方面,迈入万物智能时代,新兴技术的快速兴起、海量数据的爆发性增长以及应用场景的日益多元化,激发算力成百上千倍增长,加速算力多样化升级。另一方面,算力的提升面临多维度的挑战,从芯片到算力的转化依然存在着巨大的鸿沟,现有计算技术升级能够带来的算力规模增速大约每年仅数倍,供需之间的差距依然很大,不论是硬件层面还是架构层面,计算技术发展都亟需变革。

技术是算力发展的基石。为此,白皮书指出,通过计算理论、计算器件、计算部件、计算系统等融合性创新和颠覆性重构,形成更高算力、更高能效、更加多样、更加灵活的计算技术和产品,将有助于实现单点计算性能的提升与算力系统的高效利用,解决算力面临的挑战。

目前算力技术呈现多元化创新发展的状态:摩尔定律不断演进、计算芯片加快突破、异构计算成为主流模式、泛在协同计算应用深化、前沿计算产业化初探。

一,摩尔定律不断演进。一是先进工艺持续升级。三星于 2022年上半年底宣布3nm正式进入量产,采用新型GAA围栅结构晶体管替代传统FinFET 技术,相比于 5nm 节点,性能提升约23%,功耗下降约45%,面积减少16%。2nm及以下节点先进工艺研发竞相开展,主要围绕围栅器件、高数值孔径极紫外光刻机、二维材料等新结构、新设备、新材料方向多维攻关,目前台积电已启动1.4nm工艺布局,英特尔规划在2024年进入埃米制造时代,持续延续摩尔定律生命周期。二是芯粒(Chiplet)开辟演进新路径。依托 2.5D和3D 等高级封装技术,芯粒可以实现不同工艺制程、不同类型芯片间立体集成,成为应对先进工艺设计难度和成本大幅提升的有效方案。随着英特尔、AMD、ARM 等业界巨头推进Chiplet互联标准的统一,Chiplet有望变革行业现有规则,影响芯片未来升级路径。

二,计算芯片加快突破。在CPU、GPU 等通用芯片性能持续升级的同时,计算芯片专用化发展仍在延续。人工智能芯片迈入商业落地阶段,业内已形成覆盖全场景的芯片解决方案,云端训练侧英伟达GPU占据主要市场份额,云端推理侧高效能芯片架构多样化发展;端侧场景高度碎片化,已在自动驾驶、视频监控、智能家居等领域形成一批商用落地产品。数据处理单元(DPU)芯片成为行业追逐新热点,数据密集型需求的快速增长对云端现有计算体系架构提出了新要求,专注数据加速处理以及云端各类资源管理的 DPU芯片创新活跃,成为提升系统效能的重要推手。目前,英伟达、英特尔、美满等芯片厂商,亚马逊、阿里云等云服务商,芯启源、中科驭数等新锐企业均已形成自研DPU产品。

三,异构计算成为主流模式。伴随异构计算在移动互联网、人工智能、高性能计算等各类典型应用中占比显著提高,多样化、跨体系处理器协同成为提升计算并行度和能效的重要手段,主要涉及硬件体系架构、软硬融合协同两个维度的重构重建。硬件架构突破以CPU为中心的体系,应用维度从芯片内、节点内向系统级分区异构逐步深化,计算架构从“控制芯片+各类专用加速芯片”的典型模式向多擎分立等新体系探索,有望实现更大规模的多系统高效并行调度。软件协同以跨域统一和灵活调配为重要方向,借助统一异构软件平台整合编译器、编程语言、加速库、开发工具等,提供面向底层不同计算架构的编程模型和应用程序接口,实现多样异构算力的统一管理调度,典型代表包括英特尔OneAPI、英伟达 CUDA和华为北冥多样性计算融合架构等。

四,泛在协同计算应用深化。目前,云边端泛在计算架构和边缘侧算力实现是推进重点。在算力网络中,云、边、端共同构成了多层立体的泛在计算架构,通过与网络的深度融合,构成算力网络的新型基础设施。边缘侧算力实现受场景制约,对功能定义、性能要求等差异性较大,目前处于共性需求梳理、架构明确等初步阶段。随着云边端协同、边缘计算、多设备协作等多维协同体系商用规模不断扩大,边缘计算部署比例将不断提升。

五,前沿计算产业化初探。计算技术与数学、物理、生物等多学科交叉融合,由此衍生的存算一体、光计算、量子计算等前沿颠覆计算技术创新活跃,成为未来探索的重要方向,目前部分领域开始走向产业化探索。存算一体架构实现在存储单元中进行计算,有望攻克“内存墙”瓶颈,目前业内涌现知存科技等一批初创企业,相关产品已在物联网、可穿戴设备中实现应用。光计算利用光学器件折射、干涉等光学特性进行运算,产品原型已开始在数据中心试用,预计两年内将推出商业化产品,生态建设成为未来发展和突破的重点。量子计算在随机电路采样、玻色采样等特定问题求解中展现算力优越性,研究机构正尝试在加密解密、化学模拟、药物研发等场景中进行应用。

我国算力发展水平稳步提升  呈现四大特征

面对复杂严峻的国际环境和国内疫情多发散发等多重考验,我国算力发展水平实现稳步提升,整体呈现以下四大特征:

算力规模持续扩大,智能算力成为主要动力。从基础设施侧看,我国数据中心、智能计算中心加快部署,2021年基础设施算力规模达到140EFLOPS,位居全球第二。在用数据中心机架规模超过520万标准机架,已投运智能计算中心近20个,在建智能计算中心超20个。从计算设备侧看,我国近六年累计出货超过 1960 万台通用服务器,50万台AI服务器,算力总规模达到202EFlops,全球占比33%,增速达到50%,其中智能算力成为增长驱动力,增速达到85%。

算力产业蓬勃发展,算力创新能力不断提升。当前我国已形成体系较完整、规模体量庞大、创新活跃的计算产业,计算产业规模约占电子信息制造业的 20%,规模以上企业2300余家,整机市场份额不断攀升,形成覆盖底层软硬件、整机系统及应用的产业生态,涌现一批先进计算技术创新成果,计算芯片、计算系统、计算软件等环节持续取得突破,新兴计算平台和系统加速创新,前沿计算技术多点突破。

发展环境持续优化,行业赋能效益日益显现。我国网络基础设施能力稳步提升,省际出口带宽扩容力度不断加大,5G网络建设持续推进,算网协同体系快速发展。算力投资继续扩大,“东数西算”工程带动西部地区投资力度明显增强。数据产量快速增长,数据资源开放共享步伐不断加快。我国消费和行业应用算力需求增长迅猛,互联网依然是最大的算力需求行业,算力占比近 50%,电信、金融是算力应用较大的传统行业,制造业算力需求有较大提升潜力。

另外,算力还助推经济增长,各地加快发展步伐。2021年我国以计算机为代表的算力产业规模达到 2.6万亿元,直接和间接分别带动经济总产出2.2万亿和8.2万亿元。京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝双城经济圈等区域算力发展处于领先水平,其中广东、北京、江苏、浙江、上海、山东位于第一梯队。中西部核心省份算力发展日益崛起。但目前仍面临技术产业薄弱、发展环境亟待优化、算力需求少等问题。

 

作者:马秋月 合作媒体:飞象网 编辑:顾北

 

 

 
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