迈向智能世界白皮书：计算共建计算产业共赢数智时代

计算 共建计算产业，共赢数智时代 序言 数字经济已经成为全球经济增长的主引擎，2021年我国数字经济规模达45.5万亿元占GDP比重达到39.8%，数字经济的快速发展，带来数字化、智能化的巨大发展机遇。 鲲鹏已经广泛应用于政府、金融、电信、电力、交通、制造、教育、医疗等行业核心应用系统，成为国计民生行业数字化转型的首选。 基于昇腾AI，在全国已构建了20多个人工智能计算中心，让算力成为一种公共基础设施，开创普惠AI新模式。并从计算中心走向算力网络，成为千行百业转型升级的智能根基。 数字经济时代，数据是生产资料，算力是生产力。人均算力决定了数字经济的发展水平，算力基础设施成为新基建的核心，为数字经济发展提供新动能。 面向未来，华为将坚持围绕鲲鹏和昇腾，携手产业伙伴共建计算产业生态；坚持“硬件开放、软件开源、使能伙伴和发展人才”，和产业伙伴共同构筑坚实的算力底座。 随着通用算力的普及，使能了各行各业的数字化，带动了数字经济发展。而数字经济增长又产生更多的数据，更多的数据，又需要更多的算力。我们预计，到2030年，全球通用计算算力相比2020年将增长10倍，AI算力将增长500倍。 共建计算产业，共赢数智时代。 计算从通用计算进入通用计算+AI计算的多样性计算时代。通用计算构建了数字经济发展的基础，AI计算将成为数字经济发展的加速器，从数字化到智能化，人工智能作为新的GPT（通用目的技术），将使能数字经济迈向新高度。 为驱动数字经济的高速发展和满足数字经济多样化的场景需求，三年前，华为发起了面向通用计算的鲲鹏产业、面向人工智能的昇腾产业，得到了全产业链伙伴的积极响应，发展迅速。目前已发展超过5000家合作伙伴，260万开发者，13000多个解决方案完成认证。 目录 ARM成为多样性计算的重要选择 数字化走向深入，操作系统走向多样性算力和全场景的协同 数字经济发展引发算力需求爆炸式增长，AI算力增长是主要增量 大模型成为AI规模应用重要途径，科学计算正在进入科学智能新阶段 绿色高效成为算力基础设施建设的关键诉求 算力网络将成为重要的算力供给方式 ARM 成为多样性计算的重要选择趋势一 计算 产业趋势 2）边缘计算兴起，未来超过70%的数据和应用将在边缘产生和处理。边缘和移动端设备受场景约束，处理能力和性能的提升受到限制，需要与云协同。随着5G的规模部署，网络传输时延、带宽、连接密度均得到数量级的提升，给端-边-云协同提供了基础保障。目前云、边、端的计算架构、开发模式存在较大差异，应用须多次开发和部署，开发复杂度、成本增加，同时，架构的差异导致协同时性能的损耗（大约在10%-20%），因此，反向驱动了中心侧计算架构与边、端侧的一致性。 1.1.1应用的多样化驱动算力多样性发展 1）随着自动驾驶、云游戏、VR/AR等应用的兴起，以及物联网、移动应用、短视频、个人娱乐、人工智能的爆炸式增长，应用越来越多样化，用户对应用体验的追求不断提高。数据中心侧，传统单一架构难以满足要求。 万物互联的智能时代，非结构化数据占比越来越大。相对应原来可以用数据库二维表结构来实现的结构化数据，海量、多种多样非结构化数据，如文本、图片、语音、视频等这类数据的加工、处理、传输，自然需要多样性的计算来匹配。举例来说，CPU处理大数据、Web等场景是非常匹配的，但是对于图形、图像的处理，就需要GPU来匹配；而日常生活中的图形/图像识别、智能搜索推荐等，就需要基于AI计算的NPU来处理了。所以说，业务应用场景的多样性、数据的多样化，使得计算进入多样性计算的新时代。 1.1.2多样性计算需求，加速算力格局转换，ARM算力从嵌入式场景快速延深至服务器场景 ARM算力是从最初的端侧起步，在智能手机、平板、智能电视等领域占据绝对领先的份额，但随着云、边、端协同的驱动、多样性计算的 5)2000年x86占据市场第一的份额，总算力输出达到了70%。到了2020年，算力架构发生了逆转，世界上最大算力架构变成了ARM平台，基于ARM指令的处理器总算力输出占比超过80%。 发展，已经开始进入到算力更高的服务器领域，同时也表现出显著的优势： 1）在分布式数据库、大数据、Web前端等高并发应用场景，单芯片核数更多的ARM架构处理器相比传统处理器拥有更好的并发处理效率。 2）绝大多数移动终端采用ARM架构处理器，端云同构为开发人员在整个生态系统的编写与优化上提供便利，而且能够降低异构环境开发所造成的性能损失和潜在漏洞风险。随着云化进程的推进，大量基于ARM架构的终端业务与数据中心的云端业务维持同构，可以实现应用开发、部署和运行的无缝协同，大幅度降低开发者开发的难度。 1.1.3中国市场，服务器侧ARM生态已逐步成熟，并全面应用于国计民生行业； 全球范围内，以ARM为核心架构的CPU已经开始显现出增长趋势。在中国，众多芯片厂商和云巨头也纷纷布局基于ARM架构的系列产品，鲲鹏、飞腾已耕耘多年，ARM服务器市场份额持续增加。 3）ARM生态优势不断推动技术进步，近年来不断涌现出创新的服务器产品和解决方案，如亚马逊AWS对外提供的Amazon EC2服务就是基于ARM架构，华为基于ARM架构鲲鹏处理器打造了TaiShan系列服务器等。在高性能计算领域，以ARM、RISC-V为代表的多样性计算平台也逐渐发挥重要作用，例如欧盟EPI（欧洲处理器计划）项目致力于打造本土基于ARM架构核心处理器和RISC-V架构加速器芯片的百亿亿级超级计算机；日本“富岳”超算系统采用自主开发的ARM架构处理器，成为全球首台基于ARM芯片的TOP500冠军超级计算机等。 以鲲鹏为代表的ARM服务器，已经广泛应用于包括政府、金融、电信、电力、交通、制造、教育、医疗等行业核心场景；各行业生态已经建立，超过12000个行业应用完成适配认证，产业生态瓶颈已经消除。 4）ARM架构授权模式让伙伴既自主发展又共享生态平台，加速产业链多样化。ARM的商业模式不以出售芯片为主，而是架构授权。合作伙伴可以根据自身需求，灵活选择不同的授权模式：一是架构授权模式。基于ARM架构，可以自主扩充指令集并升级产品；二是CPU核授权模式（软核和硬核）。基于ARMCPU IP可实现设计生产，升级则需完成新CPU核授权的获取。 理等场景加速向CRM、BOSS、MSS等核心系统渗透，需要底层IT基础设施在并行计算、内存容量和带宽等方面提供更好能力匹配； 行动建议 2）网络云方面，5G核心网采用原生云化设计思路和微服务架构，将网元功能拆分为细颗粒度的网络服务，为差异化的业务场景提供敏捷的系统架构支持，核心网容器化、硬件资源池化成为发展方向，对底层计算架构的多样性、负载能力和计算效率提出新的要求； 1.2.1基于业务需求，识别适合ARM架构的业务场景，主动规划部署ARM架构服务器 数字化转型、人工智能和5G的在垂直行业的广泛应用带来了海量数据处理、高能效边缘计算等问题，尤其在电信、金融、政府、能源等重点行业，ARM架构能够更好的满足数字化应用对IT基础设施算力的严苛要求，在升级发展中发挥关键作用。 3）在边缘节点方面，为应对大视频、物联网等各类高带宽和低时延的边缘计算类业务，电信云计算能力将向移动边缘节点下沉，边缘数据中心IT基础设施将面临计算、存储等网络能力的全面提升以实现大流量、高并发、低时延的本地数据处理能力。（图1） 以电信行业为例，5G时代数据量爆发式增长、电信云面临从架构到底层硬件基础设施的全面升级，在容器化部署、分布式存储和边缘计算等关键场景都非常适合引入ARM架构，充分利用其多核高并发、大内存和高内存带宽等架构优势： 围绕重点行业的计算诉求，主动推进ARM架构服务器的应用，依托ARM处理器多核高并发、高效可靠的硬件平台，以及在基础软件方面的领先优势和安全特性，在大数据、分布式存储、数据库和云平台等计算场景中构建安全可靠的算力底座； 1）IT云方面，IT支撑系统业务逻辑更趋复杂，实时数据处理、高并发数据处理、大数据分析等技术需求不断扩大，容器化部署、分布式处 1.2.2有节奏的开展现有应用适配、迁移，并基于ARM架构，持续开发原生应用 长、工作量大的问题，通过ARM架构配套的应用迁移工具，将代码修改、汇编语言翻译、兼容文件替换、编译调试、调优诊断等迁移关键步骤在工具辅助下自动完成，降低开发人员技术门槛、提升应用迁移效率，引导行业加快应用迁移进展。 以电信行业为例，根据电信行业的业界专家评估绘制的《电信行业ARM架构迁移路径图》显示，ARM架构平均优势高，平均迁移难度较小，其中云核心网、大数据经营分析系统、大数据网络优化平台、CRM前台和中台、网关资源管理系统、网管性能管理系统、BOSS话单存储、Cloud VR等系统的ARM架构优势明显并且迁移难度偏低，均可优先考虑适配迁移。（图2） 迁移完成之后，在后续版本迭代及新功能开发过程中，通过ARM架构配套的开发工具，帮助开发人员便捷获取和使用ARM架构优势特性，开发出高性能软件，同时自动完成典型场景下的应用包构建和执行，提升开发效率和体验，引导开发人员持续基于ARM架构原生开发行业应用，深入构建行业软件生态。 在迁移过程中，针对行业应用跨架构迁移周期 2）软件加速：围绕系统指令、媒体转码、数学算法、存储网络等方向，提供一系列软件加速包，优化大数据加解密、分布式存储压缩、视频转码等常用软件性能； 1.2.3通过全栈软硬件优化，充分释放多样算力，发挥极致性能 为了适应行业应用快速创新及多样性计算的需求，进一步提升软件运行性能，面向ARM架构的全栈优化能力必不可少，通过使用包括一系列的硬件加速库、软件加速包、开源加速组件、典型场景的性能优化解决方案等，围绕硬件、基础软件，到场景化应用开展全栈优化，充分发挥应用极致性能。 3）基础软件优化：开源软件作为最重要的软件开发模式之一，是软件生态的核心，让开源软件与ARM平台进行充分的适配和优化尤为重要，持续在开源社区贡献关键性能优化成果，提供典型场景下的开源加速组件，让主流开源软件能够在ARM架构上发挥最佳性能； 1）硬件加速：提供CPU、内存、磁盘、网络子系统等硬件基础性能优化参考，包括系统硬件配置优化方法及硬件加速库，消除性能瓶颈，提升硬件资源利用率； 4）典型场景优化：面向大数据、分布式存储和数据库等行业应用的典型计算场景，提供加速数据处理、优化存储访问和提升算力部署密度的场景优化方案，有针对性的提升行业应用性能； 鲲鹏计算产业从2019年正式起航，在全球鲲鹏计算产业伙伴的共同努力下，已经构筑了完整的基础软硬件生态和人才发展体系，并在各大国计民生行业实现了规模商用落地，为行业数字化变革和应用创新提供了强大稳定的算力支持。 解决方案 华为提供基于ARM架构的鲲鹏全栈基础软件平台解决方案 作为鲲鹏计算产业的发起者和重要成员，华为秉持“硬件开放、软件开源、使能伙伴，发展人才”的策略，通过战略性、长周期的研发投入，吸纳全球计算产业的优秀人才和先进技术，和产业伙伴一起，持续推进全栈计算技术的创新发展，构筑面向多样性计算的全球开源体系与产业标准，推动鲲鹏生态全面发展。（图3） 鲲鹏计算产业是基于鲲鹏处理器（基于ARM架构）的基础软硬件设施、行业应用及服务，涵盖从底层硬件、基础软件到上层行业应用的全产业链条。纵观鲲鹏计算产业生态全景，硬件方面，围绕鲲鹏处理器，涵盖包括智能网卡芯片、底板管理控制器（BMC）芯片、固态硬盘（SSD）、磁盘阵列卡（RAID卡）、主板等部件以及个人计算机、服务器、存储等整机产品。基础软件方面，涵盖操作系统、虚拟化软件、数据库、中间件、存储软件、大数据平台、数据保护和云服务等基础软件及平台软件。行业应用方面，鲲鹏计算产业生态覆盖政府、金融、电信、能源、大企业等各大行业应用，提供全面、完整、一体化的信息化解决方案。 截止目前，已发展10家鲲鹏整机伙伴，打造共计150余款整机产品。20+家用户/伙伴基于openEuler