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计算网络化研究报告(2022年)

计算网络化研究报告(2022年)

版权声明 本白皮书版权属于算网融合产业及标准推进委员会,并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本白皮书文字或者观点的,应注明“来源:算网融合产业及标准推进委员会”。违反上述声明者,编者将追究其相关法律责任。 参与编写单位 中国信息通信研究院、北京航空航天大学、国家超级计算济南中心、国家超级计算天津中心、天翼云科技有限公司、曙光智算信息技术有限公司、国网信息通信产业集团有限公司北京分公司、联想(北京)信息技术有限公司、中电云计算技术有限公司、北京华恒盛世科技有限公司、中国联合网络通信集团有限公司、北京并行科技有限公司、北京北龙超级云计算有限责任公司、联智科技(北京)有限公司、戴尔股份有限公司、浙江九州云信息科技有限公司、亚信科技(中国)有限公司、上海即算科技有限公司、芯启源电子科技有限公司 主要撰稿人 宋平、穆琙博、宋尧、刘轶、王哲、毕立波、刘弢、张玮、谭立状、冯景华、徐斌、艾天翔、杨莉、王春新、邹颖、柴瑶琳、党小东、张云畅、韩维娜、崔吉顺、张洋、陈沙克、苏斌、王文星、张岩、王施霁、刘爽、乔楠、甄亚楠、郭宇、付鸿雁、吴跃、胡卫国、苏楠、郭建超、马雷明、王真容、王琛琛、辛少帅 前言 为了满足数字化应用多样化的算力处理需求,以超级计算、云计算、智能计算、边缘计算为代表的各类算力服务,通过差异化的服务能力,赋能行业数字变革,计算网络化的出现使得各种设备、系统、服务和应用之间可以实现高效、灵活、安全、可靠的互联互通,从而带来提高工作效率、优化资源配置、改善生活质量、促进可持续发展等优势。 本研究报告旨在探讨计算网络化的概念、内涵与主要特征、典型实践、应用案例以及对计算网络化发展趋势展望。本研究报告是对计算网络化的一次深入探讨和研究,希望能够为相关从业人员提供有益的参考和借鉴。同时,也欢迎广大读者提出宝贵的意见和建议,共同推动计算网络化的快速发展。 目录 一、计算网络化是算网融合发展的必然路径.............................1 (一)算力已成为促进数字经济发展的核心引擎...........................1(二)算力全面互联充分满足数字时代发展需求...........................3(三)计算网络化以算网融合为目标持续演进.............................4二、计算网络化概念、内涵与特征.....................................7(一)计算网络化基本概念与内涵.......................................7(二)计算网络化主要特征.............................................8三、计算网络化典型实践............................................13(一)概述..........................................................13(二)分布式云......................................................14(三)边缘计算......................................................18(四)高性能计算云..................................................21(五)智能计算......................................................25四、计算网络化应用案例............................................30(一)超算互联网应用方案............................................30(二)工业制造领域智能质检方案......................................32(三)音视频领域边缘VR方案.........................................35五、计算网络化发展趋势展望........................................36(一)建立健全标准体系,引导计算网络化良性发展......................36(二)加速构建网络基础设施,推进算力全面互联........................37(三)夯实计算网络化技术底座,实现多元算力一体协同..................37(四)智能算力全面发力,助力AI大模型应用落地.......................37缩略语.............................................................38参考文献...........................................................40 图目录 图1 2022年算力市场规模统计........................................2图2计算网络化发展的三个阶段......................................5图3计算网络化主要特征............................................8图4计算网络化典型实践对比.......................................14图5分布式云参考模型.............................................16图6边缘计算参考模型.............................................20图7 HPC Cloud满足各行业算力需求..................................22图8高性能计算云参考模型.........................................23图9智能计算服务参考模型.........................................27图10 “算力生产-算力互联-算力配给”融合的超算互联网..............31图11超算互联网直连网络拓扑......................................31图12基于区块链的数据共享访问控制机制............................32图13工业质检典型场景部署架构....................................34图14 “5G+云VR”网络架构.........................................36 一、计算网络化是算网融合发展的必然路径 (一)算力已成为促进数字经济发展的核心引擎 《中国数字经济发展研究报告(2023年)》显示,数字经济作为我国国民经济的重要支柱地位更加凸显,数字经济规模首次突破50万亿元。我国数据资源丰富,数据产量达到6.6 ZB,同比增加29.4%,占全球数据总产量(67 ZB)的9.9%。日益丰富的数字化场景、海量的数据规模与复杂处理需求,进一步驱动算力规模持续扩大,加速算力技术创新升级。根据IDC《2021-2022全球计算力指数评估报告》的相关数据显示,国家计算力与GDP的走势呈现显著正相关,计算力指数平均每提高1点,国家的数字经济和GDP将分别增长3.5‰和1.8‰。 在数字化应用需求驱动下,我国正统筹推进算力基础设施建设,助推产业转型升级与科技创新。2021年,国家发改委等四部门联合发布《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》,布局建设全国一体化算力网络国家枢纽节点,构建国家一体化算力服务平台;同年,工信部发布《“十四五”信息通信行业发展规划》,提出建设形成多层次算力设施体系;2023年,中共中央、国务院印发了《数字中国建设整体布局规划》,系统优化算力基础设施布局,促进东西部算力高效互补和协同联动。在国家政策的支持下,2022年我国算力总规模达到180EFlops,居全球第二,我国中东部省份率先布局算力设施。 图12022年算力市场规模统计 为了满足数字化应用多样化的算力处理需求,以超级计算、云计算、智能计算、边缘计算为代表的各类算力服务,通过差异化的服务能力,赋能行业数字变革。如图1所示,截止至2021年,我国各类算力市场规模持续增长,算力服务能力迎来全面发展。在超算方面,我国已经进入E级计算时代,超级计算机规模与美国呈现“并跑”态势;随着众多互联网企业加入,超算服务质量不断提升,超算产业迎来新格局。在云边算力方面,以云服务为基础的算力服务具备泛在化、普惠化和标准化的特点,云原生技术持续落地,带动云边算力架构与应用性能的全面提升。在智算方面,人工智能计算的需求高速增长,促进智算中心基础设施规 模部署,智算服务即将进入社会生活的方方面面。此外,国家“十四五”规划聚焦高端芯片、人工智能关键算法等关键领域,全面布局人工智能技术。 (二)算力全面互联充分满足数字时代发展需求 行业数字化转型助推消费互联网向产业互联网迈进,不论是传统的消费互联网还是新兴的产业互联网,对各类算力的全面互联、算力服务一体化均有强烈需求。在消费互联网方面,消费用户规模持续增长,已经突破10亿。手机、汽车、电视、家庭网关、VR设备等消费用户所使用的智能终端设备越发多元。海量数据处理正在向边缘扩散,根据Gartner预测,到2025年超过50%的企业关键数据将在数据中心以外或云以外的地点创建和处理,云/边/端算力协同已成为基本能力要求。在产业互联网方面,大科学装置、智能制造、智慧安防、车联网等领域数据爆发式增长,并在实时性、精确度方面提出了更高要求,例如:中国天眼FAST天文观测每秒产生6GB数据,对观测数据的计算分析要求高速传输,便于更快发现科学目标;车联网路侧计算设备端到端处理时延宜小于100毫秒且车辆信息检测精度不小于95%。此时,单一算力已难以满足需求,需利用高质量网络实现算力中心之间的互联互通,形成更为强大的算力资源。 各类行业不同应用场景均需要算力之间相互协同,满足应用处理需求。例如,在交通行业的车路协同场景中,智能网联汽车控制系统要求云边端算力协同调度,将人、车、路、云的物理空间、信息空间 融合为一体,实现智能网联汽车交通系统安全、节能、舒适及高效运行。此外,气象行业通过国省跨域超算算力统筹与算力资源统一服务,应对未来气象应用对算力的挑战。 不同数字应用的执行过程各具特点,利用算力互联可以进一步提升应用执行效率。例如,在如材料基因组工程的高通量计算,可充分利用计算任务间的松耦合性,将任务分配到分散的可用节点,充分利用算力互联网络连接的各算力的闲置资源;在生物信息、智慧病理等领域,边缘侧的测序仪将获得的测序数据作预处理,通过网络传到算力中心进行进一步处理,实现云边协同;在海气耦合模式中,WRF和ROMS应用之间耦合较弱,可以将不同应用映射到不同的算力中心,并通过高速互联网络进行协同计算。 综上所述,从宏观行业数字化发展,到不同行业数字化场景的需求,再到各类数字化应用执行,算力设施互联互通、算力服务一体化发展已成为满足数字化转型需求的关键能力,是现阶段算网融合发展的必然路径。 (三)计算网络化以算网融合为目标持续演进 如何便捷地获取并使用算力,一直是人们追求的目标。“网络计算”的概念起源于20世纪80年代计算机网络的出现,这也是计算网络化概念的雏形。网络计算强调通过网络连接网上分散的计算机,汇聚网络连接的各类硬件和软件资源,形成能力更为强大的计算系统[1]。 以算网融合为最终目标,计算网络化概念从20世纪80年代开始持续演进发展。在40年来的发展过程中,业界涌现了