算力網(wǎng)絡(luò)發(fā)展展望研究

潘 葉，許耀順，李梓萌，陳迎春

（中國移動通信集團廣東有限公司，廣東 廣州 510623）

0 引言

立足新發(fā)展階段，貫徹新發(fā)展理念，構(gòu)建新發(fā)展格局。算力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是支撐國家網(wǎng)絡(luò)強國、數(shù)字中國、智慧社會戰(zhàn)略的基礎(chǔ)，是對接國家規(guī)劃、落實“東數(shù)西算”工程部署的重要支撐，是推動國家新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)走向縱深的全新路徑，將有力地推動數(shù)字經(jīng)濟的持續(xù)健康發(fā)展[1]。構(gòu)建以5G、算力網(wǎng)絡(luò)、智慧中臺融合互促的新發(fā)展計劃，打造“連接+算力+能力”的新型信息服務(wù)體系將會是未來十年內(nèi)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要方向。

推動算力網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展驅(qū)動力主要包括以下6 點：①國家“東數(shù)西算”戰(zhàn)略實施，預(yù)測云服務(wù)商和運營商將會是承建和運營的主力[2]。②國家意志在推動，未來算力的使用成本會大幅下降，需求會指數(shù)上升，可以預(yù)測未來發(fā)展前景廣闊。③互聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)商通過租用光纖建設(shè)SDN 化的云骨干網(wǎng)、或者打造SD-WAN 等多種途徑進入該領(lǐng)域。④外部競爭對手CT 和IT 廠家如亞信、浪潮、中盈、華為等也在運營商層面積極布局，在各省運營商層面推動算網(wǎng)大腦建設(shè)和試點。⑤編排、多云的產(chǎn)品升級，算力網(wǎng)絡(luò)將是一個契機，編排從業(yè)務(wù)編排到網(wǎng)絡(luò)編排、云編排的產(chǎn)品升級，多云從云資源管理到云應(yīng)用管理的升級。⑥現(xiàn)有產(chǎn)品架構(gòu)的提升，采用輕量化微服務(wù)分布式架構(gòu)、云原生容器化部署、組件間松耦合、解耦和框架-適配組件思路進行產(chǎn)品設(shè)計，提升產(chǎn)品的穩(wěn)定性、靈活性和適用性。

1 算力網(wǎng)絡(luò)概述

算力網(wǎng)絡(luò)是一種根據(jù)業(yè)務(wù)需求，在云、網(wǎng)、邊之間按需分配和靈活調(diào)度計算資源、存儲資源以及網(wǎng)絡(luò)資源的新型信息基礎(chǔ)設(shè)施，具體以算為中心、網(wǎng)為根基，網(wǎng)、云、數(shù)、智、安、邊、端、鏈等深度融合、提供一體化服務(wù)的新型信息基礎(chǔ)設(shè)施。算力網(wǎng)絡(luò)的目標是實現(xiàn)“算力泛在、算網(wǎng)共生、智能編排、一體服務(wù)”，逐步推動算力成為與水電一樣，可“一點接入、即取即用”的社會級服務(wù)，達成“網(wǎng)絡(luò)無所不達、算力無所不在、智能無所不及”的愿景[3]。

算力泛在具體指實現(xiàn)三融通，從而構(gòu)建云邊端多層次、立體泛在的分布式算力，具體包括：空間融通東西，邏輯融通云（C）、邊（E）、端（T），內(nèi)核融通異構(gòu)，實現(xiàn)x86/ARM/GPU/FPGA 等多樣性算力。算網(wǎng)共生指網(wǎng)在算中、算在網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)從算力連接感知和承載算力。智能編排指融數(shù)注智，構(gòu)建算網(wǎng)大腦，實現(xiàn)算網(wǎng)統(tǒng)一編排、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一管理和統(tǒng)一運維，打造算網(wǎng)資源一體設(shè)計、全局編排、靈活調(diào)度、高效優(yōu)化的核心能力。一體服務(wù)主要是實現(xiàn)三個融合供給：①多重要素融合供給：融合算網(wǎng)數(shù)智鏈安等多要素。②多元算力融合供給：算力并網(wǎng)、可信交易。③數(shù)智服務(wù)融合供給：隨需滿足、體驗“無感”、使用更智能便捷。

2 算力網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀

算力網(wǎng)絡(luò)自提出來后，在業(yè)界各方的共同努力下，算力網(wǎng)絡(luò)的標準化工作取得了很大進展，通信網(wǎng)絡(luò)運營商和各企業(yè)都有積極參與。中國通信學(xué)會、CCSA、網(wǎng)絡(luò)5.0 聯(lián)盟、IMT-2030（6G）推進組等行業(yè)組織和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟紛紛啟動算力網(wǎng)絡(luò)相關(guān)標準的制定。2021 年4 月至今，CCSATC3 通過了算力網(wǎng)絡(luò)總體技術(shù)要求、算力路由協(xié)議技術(shù)要求和算力交易等立項。TC1 通過了泛在計算總體技術(shù)要求、泛在算力調(diào)度管理技術(shù)要求和算力度量等立項，初步建立了算力網(wǎng)絡(luò)行標體系。IMT-2030（6G）網(wǎng)終技術(shù)工作組已正式啟動6G 網(wǎng)絡(luò)中的算網(wǎng)一體需求和關(guān)鍵技術(shù)研究。

算力網(wǎng)絡(luò)是一個龐大的系統(tǒng)性工程，一般認為其發(fā)展大致可以分為以下三大階段。

第一階段（2022—2023 年）是泛在協(xié)同的起步階段。在算力方面持續(xù)發(fā)力，從中心云向邊緣發(fā)展，構(gòu)建云邊協(xié)同的算力體系，同時對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行優(yōu)化和調(diào)整，實現(xiàn)協(xié)同編排、網(wǎng)隨算動的一站服務(wù)和協(xié)同運營，向用戶能夠提供算力和網(wǎng)絡(luò)的一站式服務(wù)。

第二階段（2024—2025 年）是融合統(tǒng)一的發(fā)展階段，在這一階段，算力和網(wǎng)絡(luò)還是兩個相對獨立的個體。引入統(tǒng)一的算網(wǎng)大腦，向下可以實現(xiàn)算力和網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一的編排和調(diào)度，向上賦能網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一運營，向用戶提供算力和網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一的融合服務(wù)，實現(xiàn)職能編排、算網(wǎng)融合的融合服務(wù)和統(tǒng)一運營。

第三階段（面向“十五五”階段及更長期）是一體共生的跨越階段。在這一階段，不僅在算網(wǎng)大腦方面進行融合，還會引入算力路由等相關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和算力在生態(tài)和協(xié)議方面進一步融合，實現(xiàn)智慧內(nèi)生、算網(wǎng)一體的一體服務(wù)和模式創(chuàng)新[4]。

3 算力網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展及展望

3.1 算力成為數(shù)字經(jīng)濟時代的生產(chǎn)力， 云計算推動算力服務(wù)化

新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在重塑全球經(jīng)濟結(jié)構(gòu)，算力是信息時代的新生產(chǎn)力，是支撐數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展的堅實基礎(chǔ)，算力的發(fā)展推進了技術(shù)的升級換代、應(yīng)用的創(chuàng)新發(fā)展、產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷壯大，而云計算作為算力的生產(chǎn)工具，給予算力隨時隨地、按需等優(yōu)點，大大降低算力使用門檻，推動了算力向服務(wù)化邁進[5]。

全行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的加速對算網(wǎng)一體化基礎(chǔ)設(shè)施和融合人工智能、大數(shù)據(jù)等多要素融合服務(wù)能力的要求日益提升。當(dāng)前算網(wǎng)各自編排、分域管理，難以提供算網(wǎng)融合的產(chǎn)品。算網(wǎng)大腦通過算網(wǎng)數(shù)據(jù)感知獲取全域?qū)崟r動態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合算網(wǎng)智能化、多要素融合編排實現(xiàn)要素能力的一體供給和智能匹配，橫向全面融合網(wǎng)、云、數(shù)、智、安、邊、端、鏈多種能力要素，縱向深度貫穿應(yīng)用、平臺到底層資源，進而為新型信息基礎(chǔ)設(shè)施對外提供一體化服務(wù)提供能力支撐。

3.2 異構(gòu)算力迎來繁榮期，推動算力向普惠化發(fā)展

隨著5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計算等新技術(shù)快速發(fā)展，GPA、FPGA、AI 芯片等異構(gòu)算力迎來繁榮期，滿足各場景計算需求的同時，從成本的角度大幅度降低計算門檻。算力的服務(wù)對象也將從企業(yè)和大客戶擴展至小微企業(yè)及個人，真正推動算力成為“人人可用”的普惠資源。有研究表明，我國基礎(chǔ)算力占算力的比重由2016 年的95%下降到2020 年的57%，智能算力占算力的比重由2016 年的3%提升至2020 年的41%。智能算力的比重提升代表算力應(yīng)用場景的不斷豐富，是算力“普惠”發(fā)展的重要體現(xiàn)。

3.3 邊緣應(yīng)用場景激增，推動算力向泛在化發(fā)展

隨著算力泛在性程度的不斷加深，邊緣側(cè)應(yīng)用場景層出不窮，算力需求不斷增加，算力逐步從中心側(cè)向邊緣側(cè)、端側(cè)擴展，形成了云-邊-端三級算力架構(gòu)，以支撐智能安防、游戲、視頻等多樣化智能應(yīng)用場景的不斷落地。

智慧城市、智慧工廠、智慧家庭等智能場景的逐步落地，人工智能正深刻地改變我們的生產(chǎn)、生活方式，一個以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為特征的智慧社會正加速到來。一方面，以智算集群、無損網(wǎng)絡(luò)、高性能存儲為核心的智能算力解決方案有效提升計算效能、降低計算成本、縮短人工智能訓(xùn)練周期；另一方面，基于多樣性算力的能力評估體系、云邊端算力高效協(xié)同調(diào)度能力和智能應(yīng)用的敏捷構(gòu)建方式等新型技術(shù)，構(gòu)建泛在協(xié)同的智能算力底座，推動人工智能從“單點突破”邁向“泛在智能”，實現(xiàn)智慧社會轉(zhuǎn)型升級。

3.4 云原生解決多樣性算力的兼容性問題， 推動算力向標準化發(fā)展

隨著多樣性技術(shù)路線的引入和發(fā)展，以GPA、FPGA 為代表的異構(gòu)計算與以ARM 為代表的CPU 架構(gòu)的兼容性問題更加突出，多樣性算力的標準化度量與輸出成為挑戰(zhàn)。無論是底層資源的異構(gòu)，還是不同地域如中心或邊緣節(jié)點應(yīng)用的異構(gòu)，容器化部署使算力資源輸出達到統(tǒng)一標準。

以GPU、FPGA、AI 芯片為代表的異構(gòu)算力增長迅猛，以DPU/IPU 為代表的軟硬件深度融合的一體化計算架構(gòu)逐漸興起，突破傳統(tǒng)馮·諾伊曼架構(gòu)的近存計算、存算一體等存算融合新計算架構(gòu)不斷出現(xiàn)。這些架構(gòu)變革以數(shù)據(jù)處理的高效性為目標，通過數(shù)據(jù)流驅(qū)動計算，對底層數(shù)據(jù)按需就近處理，極大提升數(shù)據(jù)處理效率。此外，面向多樣性的新型計算架構(gòu)，跨架構(gòu)的開放編譯平臺已成趨勢，通過屏蔽底層硬件架構(gòu)差異，構(gòu)筑開發(fā)環(huán)境友好、性能高效的算力服務(wù)。

3.5 算力和網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)深度融合的趨勢， 算網(wǎng)一體技術(shù)已現(xiàn)雛形

算力和網(wǎng)路的發(fā)展日益呈現(xiàn)一體共生之勢，從網(wǎng)隨算動到算網(wǎng)融合再到算網(wǎng)一體，網(wǎng)路從支持連接算力，演進為感知算力、承載算力，實現(xiàn)網(wǎng)在算中、算在網(wǎng)中。與此同時，算力度量、算力原生、算力路由等算網(wǎng)一體技術(shù)日益受到產(chǎn)學(xué)研各界重視，相關(guān)技術(shù)的成熟將持續(xù)推動算網(wǎng)融合縱深發(fā)展。

傳統(tǒng)的算力和網(wǎng)絡(luò)相對獨立，二者僅為簡單的連接關(guān)系。以NFV/SDN 為核心技術(shù)的下一代網(wǎng)絡(luò)規(guī)模部署，算力和網(wǎng)絡(luò)開始在基礎(chǔ)設(shè)施層面逐步融合，隨著5G+MEC 的飛速發(fā)展，進一步驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)開始感知算力的位置，實現(xiàn)就近分流，算網(wǎng)融合的一體化平臺服務(wù)已成趨勢。未來，算網(wǎng)將在協(xié)議和形態(tài)層面進一步融合，網(wǎng)絡(luò)將深度感知算力，通過在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中引入算力信息，將應(yīng)用請求沿最優(yōu)路徑調(diào)度至算力節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過共享自身算力，對數(shù)據(jù)進行在網(wǎng)計算，降低通信延遲，將推動無人駕駛、元宇宙等超低時延類新型業(yè)務(wù)創(chuàng)新突，進而推動算力服務(wù)化，推進算網(wǎng)向一體共生發(fā)展。

3.6 多樣性算力布局極速擴展， 新的跨架構(gòu)的開發(fā)生態(tài)體系逐步形成

面向通用計算，互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)和芯片巨頭已經(jīng)完成了x86+ARM 多樣性計算布局，面對AI 這一增長預(yù)期更加強勁的未來市場，芯片布局更為激烈。多樣性算力的開發(fā)生態(tài)體系相對獨立，應(yīng)用的跨架構(gòu)開發(fā)和遷移困難，需通過開源、開放的方式建立可屏蔽底層硬件差異的統(tǒng)一異構(gòu)開發(fā)平臺。例如，寒武紀的AI 加速芯片，華為的CPU+NPU，英特爾的CPU+IPU/FPGA，AMD 的CPU+APU/FPGA，英偉達的GPU/DPU+CPU 等。

“東數(shù)西算、東數(shù)西存、東數(shù)西訓(xùn)、東數(shù)西渲”帶來跨地域、跨層次、跨架構(gòu)的海量數(shù)據(jù)調(diào)度需求，對傳送網(wǎng)絡(luò)的容量、時延、成本、能耗等提出了更高要求。以O(shè)XC、400G/800G、OSU、SPN、50GPON、FTTR、硅光、新型光纖等為代表的新技術(shù)蓬勃發(fā)展，推動光傳送網(wǎng)向基于光電聯(lián)動的大帶寬、扁平化、低時延的智慧全光網(wǎng)演進[6]。

3.7 算力需要發(fā)揮極致性能，呼喚計算架構(gòu)的技術(shù)創(chuàng)新

算力節(jié)點、存儲和網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成了經(jīng)典馮諾依曼式的計算架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率和存儲墻成為影響算力的最終性能的瓶頸，催生取代經(jīng)典馮氏架構(gòu)的技術(shù)創(chuàng)新，存與算的工作模式以及網(wǎng)與算的組織形式都將發(fā)生巨變。

傳統(tǒng)存與算的工作模式是存算分離，具體表現(xiàn)為CPU 從存儲單元獲取數(shù)據(jù)后進行計算，然后將計算結(jié)果寫回存儲器。目前存與算的工作模式是近存計算，具體表現(xiàn)為通過3D 封裝與HBM 技術(shù)，通過縮短CPU 與存儲單元之間的距離，從而增強帶寬。而中遠期存與算的工作模式則采用存算一體的新架構(gòu)，使用新的存算一體芯片以及新編譯器和指令集，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)存算一體。

傳統(tǒng)網(wǎng)與算的組織形式為由服務(wù)器完成計算，然后通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。目前網(wǎng)與算的組織形式為智能網(wǎng)卡計算，通過計算服務(wù)器搭配專用計算加速卡實現(xiàn)。中遠期網(wǎng)與算的組織形式則是采用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備計算，通過定義新的設(shè)備形態(tài)和功能，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)在網(wǎng)計算。

3.8 算力供給參與者眾多，全新算力交易模式即將出現(xiàn)

隨著產(chǎn)業(yè)由云向算發(fā)展，算力服務(wù)有多方供給，為了使社會已有算力得到充分利用，有效避免算力資源的重復(fù)建設(shè)，融合多方算力服務(wù)的新的算力交易模式即將出現(xiàn)。

通過算力交易創(chuàng)新模式廣泛吸納社會算力，基于區(qū)塊鏈的多方算力可信共享將推動算力的供給側(cè)改革，使算力的使用成本進一步降低，實現(xiàn)算力普惠，同時提升社會空閑算力使用效率，最大化發(fā)揮算力的價值。數(shù)據(jù)流通服務(wù)可實現(xiàn)跨行業(yè)、跨主體的數(shù)據(jù)共享和開放，通過聯(lián)邦學(xué)習(xí)、隱私計算等技術(shù)為多方協(xié)作模式下的數(shù)據(jù)價值挖掘提供可靠保障，推動數(shù)據(jù)合法、高效利用，助力數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用升級，打造數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)新范式。

4 結(jié)語

綜上所述，深刻認識算力和網(wǎng)絡(luò)融合共生、一體服務(wù)，這對全社會數(shù)智化轉(zhuǎn)型具有重大意義，對算力網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生背景、核心理念、應(yīng)用場景、發(fā)展路徑以及技術(shù)創(chuàng)新進行深入研究，進而倡導(dǎo)實現(xiàn)“網(wǎng)絡(luò)無所不達、算力無所不在、智能無所不及”的愿景。