算网城市发展路径研究

王宏羽 邱奔 王少鹏

(中国信息通信研究院云计算与大数据研究所,北京 100191)

0 引言

算力作为数字经济时代的新型生产力,已成为赋能科技创新、推动产业升级、满足美好生活的重要基础。狭义上,算力是数据中心服务器处理数据并实现结果输出的能力;广义上,算力用于支撑数字业务处理,是实现数据计算、存储和转发的综合能力,是信息计算力、数据存储力、网络运载力的综合体现[1]。当前,随着数字应用场景的逐步深化,各领域对算力资源的需求在快速增长,对算力基础设施服务能力的要求也在不断提升。

各国政府及地区高度重视算力及算力基础设施的布局建设:美国《国家战略性计算计划:引领未来计算》聚焦提升算力基础设施建设水平[2];欧盟委员会《2030数字指南针:欧洲数字十年之路》提出构建安全、高性能、可持续的数字基础设施,全方位提高数字经济产值[3];我国将数据纳入生产要素,将算力基础设施纳入新基建的范畴,稳步推进数字经济发展。然而,目前我国算力资源的分布和利用仍存在诸多问题,如资源闲置、利用率低、地域分割等,这些问题制约了我国算力进一步提升和应用。算网城市旨在通过构建算力“一张网”,实现算力统一调度和优化配置,对于提升我国数字经济整体竞争力,推动经济社会高质量发展具有重要意义。

1 算网城市发展背景

1.1 算网城市政策背景

我国高度重视算力产业发展,持续发布多项政策文件,引导和支持算力基础设施建设。为把握数字经济战略机遇,构建算力发展新格局,《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》首次提出支持开展“东数西算”示范工程建设,通过设立八大枢纽节点和十大数据中心集群引导我国算力产业均衡布局、协同一体发展;《“十四五”数字经济发展规划》提出有序推进信息网络基础设施优化升级,加强算力统筹和智能调度,推动算网融合发展;《数字中国建设整体布局规划》指出要系统优化算力基础设施布局,实现数字基础设施高效联通,数据资源规模和质量加快提升;《算力基础设施高质量发展行动计划》鼓励加强计算、网络、存储和应用协同创新,推进算力基础设施高质量发展,充分发挥算力对数字经济驱动作用。

我国各地政府均围绕算力基础设施领域出台相关政策,进行产业布局。《上海市进一步推进新型基础设施建设行动方案(2023—2026年)》明确加强对网络、算力、数据等基础设施的建设,到2026年建成超大规模城市智能终端设施体系[4]。天津市《关于做好算力网络建设发展工作的指导意见》从算力、存力、运力三方面统筹部署,制定了算力设施、存力体系、运力网络和应用赋能等重点任务[5]。青海省《绿色零碳算力网络建设行动计划(2023—2025年)》按照构建全国一体化算力网络协同创新体系的要求,统筹推进青海一体化算力网络布局[6]。

1.2 算网城市建设现状

算力基础设施是为客户提供计算、存储和网络等算力服务的载体,能够根据不同的业务需求,对计算资源进行按需分配与灵活调度[7]。当前,“东数西算”工程进入全面建设阶段,算力基础设施建设全面提速。以政府为主导,以电信运营商为引领,以第三方服务商为支撑保障,加速织就全国算力“一张网”。在此过程中,算力网络布局日益完善,算力基础设施产业链逐渐成熟,共同推动算网城市发展。

我国算力基础设施建设已取得初步成效,截至2023年6月底,我国算力总规模达到197 EFLOPS,存力总规模超过1 080 EB[8]。随着新一代信息通信技术的快速发展,计算、存储和网络需求仍将大幅提升。我国高度重视算力、存力和运力高质量协同和一体化发展,不断加大对相关基础设施的资金投入和技术创新。

面对不断增长的计算需求,算力基础设施将各类计算资源(如中央处理器、图形处理器等)和网络资源进行深度融合,通过集中控制或分布式调度方式,为各类数字化应用场景提供可灵活调度的计算服务。当前,全球算力技术创新活跃,异构计算成为智能计算周期高算力主流架构[9],液冷技术推动算力基础设施绿色可持续发展[10],这些技术的发展和应用为我国算网城市建设奠定坚实基础。

存储产品以先进存储、全闪存储和存算分离等为当前技术热点[11]。集中式存储、分布式存储、超融合存储、备份存储、服务器存储等设备均已向全闪存化演进,固态硬盘介质替代机械硬盘介质向存储高密度发展,存储效率不断得到优化,进一步降低数据存储耗能。在数据存储安全可信能力方面,存力基础设施安全是算网城市建设的安全底座。

网络基础设施主要由用户入算、算力设施间和算力设施内网络三大部分组成[12]。在用户入算网络方面,IP承载网、光传送网(Optical Transport Network,OTN)、切片分组网(Slicing Packet Network,SPN)、 软件定义广域网(Software Defined Wide Area Network,SD-WAN)等技术应用能够为用户提供泛在网络接入。在算力设施间网络方面,400 GE、800 GE光模块和C+L波段光频带扩展技术用以提高算力设施间网络高速互联能力,互联网协议第6版分段路由(Segment Routing over Internet Protocol Version 6,SRv6)技术和光交叉连接(Optical Cross-Connect,OXC)灵活调度等技术提高了网络弹性敏捷程度。在算力设施内网络方面,超融合以太网通过负载均衡算法、端网协同拥塞控制等技术保障网络零丢包、低时延、高吞吐性能。

2 算网城市内涵架构

2.1 算网城市基本内涵

算网城市依托网络基础设施底座,对城市中的算存资源进行有效整合、灵活调度和充分利用,通过泛在的算网设施为用户提供便捷的应用服务,满足城市治理、产业升级、经济发展和民生服务等社会各方的算力需求。算网城市发展的本质是强化算网能力建设,推动算力基础设施化,打破多源异构资源之间的壁垒,使其能够像水、电一样随取随用。算网城市整体呈现泛在灵活、安全高速、创新协同和系统长期的特征。

2.2 算网城市总体架构

算网城市建设以数据中心、智能计算中心、超级计算中心等算力设施为支点,融合了数据中心、边缘计算、网络等技术,为城市各行各业提供了强大的数据处理和计算能力,实现了城市各领域数据实时感知、传输、处理与存储。算网城市并不仅仅涉及一项具体的技术,而是需要从技术创新、体制机制等多个层面对城市算力资源进行统一规划设计。本文中的算网城市以“3+1”为总体架构(见图1),即以算力基础设施层、算网管理编排层、算网运营服务层为核心,以算网融合应用层为承接,实现算力资源全面整合、高效调度以及价值释放,推动算力从供给、调配、运营和消费全链条解耦,促进城市算力资源有序高效发展,全面助推数字中国建设。

图1 算网城市总体架构

算力基础设施层是奠定算网城市建设的“重要基石”。该层利用现有的算力基础设施、网络基础设施提供算网资源,充分聚合计算、存储、网络三大能力,向上提供池化资源能力。该层涵盖算力和网络等方面的创新技术,例如异构计算、算力卸载、无损网络以及全光高速互联等技术。

算网管理编排层是实现算网城市建设的“智慧大脑”。该层基于算力资源与上层业务需求的逻辑关系,通过算力资源全域态势感知、跨域融合编排、统一路由调度等技术,考虑业务服务级别协议需求、网络负载、算力分布等因素,智能动态计算最优协同策略,实现整体算力资源的灵活部署与动态匹配,完成全网算力资源的统一度量、感知和编排。

算网运营服务层是保障算网城市建设的“管理中心”。该层对接城市算力资源提供方与资源应用需求方,协同管理算力的运营过程。通过算力运营为算力需求方提供更加优质的算力资源,使需求方更快获取算力应用。同时,通过算力运营使算力资源提供方能够更好地进行算力资源交易,在实现更大经济收益的同时,促进全社会算力资源高效流通和利用。

算网融合应用层是赋能算网城市建设的“服务大厅”(见图2)。该层向多重数字化应用场景提供泛在灵活的算力服务,满足城市个人、企业、政府等不同群体多样化算力需求,为新型工业化、智慧教育、数字金融、智慧交通、智慧医疗和能源互联网等领域的发展升级提供算力支撑。通过算力调度在垂直领域的应用与拓展,更加丰富了算力流通场景。算力与业务的深度融合,既是对算力资源价值的全面释放,又激发了产业发展的价值潜能。

图2 算网融合应用层主要架构

3 算网城市建设意义

促进算力资源高效利用。当前,我国面临算力资源分布不均衡、利用效率不高的问题,算网城市建设将成为解决这一问题的有效途径。通过科学合理的规划和布局,算网城市能够实现城市范围内算力资源集中化管理和最优化调度,这将打破传统算力资源利用模式,提高资源利用效率,确保算力资源能够根据实际需求进行动态分配,最大程度上满足各行业、各领域的计算需求。

推动城市数字化转型。算网城市基于统筹规划,通过对智能计算中心、边缘计算中心等算力基础设施的合理布局,构建高效稳定、覆盖全城的算力网络,打造统一的算力管理和调度平台,这将大幅提升城市整体运算能力与效率,为城市发展注入新的活力。此外,算网城市建设将更好发挥算力对城市产业升级和技术创新的驱动作用,从长远看有助于降低各行各业算力使用门槛与数字化转型难度,更好满足各行各业日益增长的数字化场景应用需求,这对于增强城市竞争力、推动城市数字化转型发展具有重要意义。

赋能千行百业发展。随着各行各业数字化转型的深入推进,对于算力的需求也日益增长。算网城市建设将满足各行各业对于算力的需求,赋能创新发展。算网城市能够为工业、教育、金融、交通、医疗、能源等行业提供定制化的算力服务方案,推动行业实现数字化转型和高质量发展。同时,鼓励有条件的大中型城市先行建设算网城市并逐渐辐射全国,将为不同地区和行业之间的合作提供便利,推动数字经济跨地区、跨行业的融合发展,促进数字技术在传统产业中的广泛应用和创新,加速数字经济的全面发展。

筑牢数字经济底座。作为数字经济的底座,算力基础设施的重要性不言而喻。算网城市建设将夯实数字经济的底座,为数字技术的研发应用提供强大稳定的支撑,这将有助于推动我国数字经济健康有序发展,增强我国在全球数字经济竞争中的话语权和影响力。同时,随着算网城市建设的推进,将吸引更多的创新资源、人才和企业聚集,有助于形成良好的数字经济发展生态,为我国经济高质量发展注入源源不断的动力。

4 算网城市建设路径

加强顶层规划设计,引领全面协调发展。顶层规划设计将为算网城市建设提供有力的保障。在国家层面,应继续强化布局全国一体化大数据中心,围绕计算、存储和网络等方面进一步加大支持力度,支撑“东数西算”工程高质量有序推进。在地方层面,有关部门应加强相关工作的组织和协调,建立完善的城市算力发展规划,着力优化城市算力网络布局,推动城市算力资源协同发展、梯次互补,确保城市算力的可持续增长,并与城市发展的整体目标相协调。同时,应加强算网城市标准体系建设,促进算力资源的合理配置和高效利用。

完善基础设施布局,夯实算力发展底座。当前,我国算力基础设施布局尚不完善,存在区域发展不平衡、算力资源利用效率低等问题。算力基础设施作为算网城市的基本底座,应加快谋篇布局。落实《算力基础设施高质量发展行动计划》等政策文件,明确发展目标、重点任务和保障措施,确保各项工作有序推进。同时,结合城市发展需求,统筹规划算力基础设施布局,加强区域间协同,形成高效、合理的算力资源分布格局。加大科研投入,推动算力技术创新,提高算力基础设施的技术水平和运行效率。建立健全算力基础设施安全保障体系,加强网络安全防护,确保算力基础设施稳定运行。

推动政企多方参与,共谋算力产业未来。算网城市建设需要各级政府、企业和用户等各类市场主体共同参与,多方互促互补、形成合力。由政府发挥主导作用,建立健全工作协调机制,确保各项任务落到实处。出台支持算网城市建设的政策措施(如税收优惠、资金扶持等),引导社会资本投入算力产业,共同推动算力技术创新和应用拓展,培育壮大算力产业生态,促进算力与各行各业融合发展。进一步加强算力人才的培养和引进力度,为算力产业发展提供智力支持。同时,加强宣传引导,提升社会各界对算力产业的认知度和参与度。

打造算网城市标杆,塑造数字发展高地。选取具有代表性的城市和地区,打造一批国家级的算网城市标杆,其对于引导城市制定算力网络建设规划和技术标准,开展算力网络技术创新和人才培养,培育健康可持续的算网城市产业生态等都具有重要意义。算网城市标杆的建设将在全国范围内形成示范效应,形成可复制推广的经验和模式。未来,示范城市可作为我国加强对外交流合作的重点城市,进一步探索实现算力与数字金融、新能源等的协同出海,开启与全球互联互通的新篇章。

5 结束语

本文探讨了算网城市的发展背景与建设意义,对其基本内涵与总体架构进行了深入分析,并提出了相应的发展路径建议。未来,随着数字技术的不断创新和普及,算网城市将成为推动城市可持续发展的重要力量。算网城市具有数据驱动、智能化决策、资源优化配置等特点,将有利于簇生一个高度智能化、网络化、协同化的未来城市,为我国数字经济发展提供新的动力。各地政府应加强对算网城市发展的重视和支持,完善相关政策和法规,推动算网城市健康、快速发展,为建设数字中国作出贡献。