未来已来：算力如何改变世界丨文末有赠书

计算时代的到来，改变世界的新力量

随着技术的发展和人类对美好生活的需求，生产力迅速发展。众所周知，生产力由劳动数据、劳动对象和劳动者组成，其中人是最活跃的生产力因素，技术是促进生产力变革的最关键因素。该技术可以丰富生产数据的来源和利用，创造和改进生产工具，有效地处理和利用生产数据，提高工人发现生产数据的价值和利用生产工具的技能。人类社会生产力的发展过程实际上是从以人为本到以技术为核心的简单演变过程。具体来说，人类生产力的发展已经进入了计算能力时代，计算能力已经成为核心生产力。

人类历史上的每一次重大变化都伴随着象限级的技术突破。批量种植技术的发明使人类进入了农业时代；蒸汽机和热武器的发明使人类进入了工业和航海时代；计算机和互联网的发明使人类进入了信息时代。信息时代与计算能力密不可分。以计算、存储和延迟为代表的计算能力设施正在将人类通信水平推向更高的水平。在中国电信总经理李正茂等待的《云网络融合：计算时代数字信息基础设施》一书中，总结了计算能力促进社会、生活和科研范式的前所未有变化。

计算能力授权，工业制造智能升级

1765 年珍妮纺纱机的出现揭开了工业革命的序幕，正式开启了机械化取代手工劳动的新时代。 多年后，瓦特发明了圆形蒸汽机，促进了机器的普及和发展，工厂成为工业生产的重要组织形式；19世纪，电力发明标志着第二次工业革命的到来，传统工业裂变了航空、汽车、石油、电器等新兴市场，工业面貌焕然一新；进入20世纪后，第三次工业革命悄然到来，智能手机、无人机、芯片相继出现，人类信息化水平大大提高。2013 年，德国在汉诺威工业博览会上提出工业4.被认为是第四次工业革命的标志性事件。

第四次工业革命是以人工智能、大数据、云计算、物联网为代表的数字技术驱动的生产模式的改革，实现工厂与用户之间的智能连接，使生产模式从标准化转向网络、信息和定制。

说到第四次工业革命，我们必须提到智能制造。智能制造是制造业价值链的信息化和创新，是工业技术与信息化的深度融合，包括产品开发、应用设备和生产线的智能化。围绕智能制造，衍生出智能工厂、智能管理、智能决策、智能物流等新兴领域。网络和计算能力的广泛应用是智能制造的关键保证。

在工业制造领域，工厂可以通过安装温度、湿度等感应设备来监测生产环境。一旦出现异常，就会发出警报，调整环境。在生产过程中，工业智能制造可以通过摄像头实时监控设备状态、生产线状态、产品状态、质量可追溯性、生产调度、材料等整个生产过程，及时发现各环节的故障，并记录存储进行后续分析和改进。

西门子中央研究所在慕尼黑展示了手臂机器人的一部分。在人工智能的高度自动化技术的帮助下，它可以在产品制造中独立分工和合作，而无需编程。对于这种机器人的引入，人类工程师只需要通过网络远程指导，智能机器人可以自动计算重复和精细的工作，以降低误差的可能性，减少人工操作的工作量。

随着工业的发展，各种互联网设备越来越多，摄像头、传感器、智能机器人将广泛应用于工业制造中。作为数字过程的衍生品，携带生产价值的大量数据正在流向分散在各地的计算节点。在算法、计算能力、存储和网络的支持下，制造业的数据处理系统将变得越来越聪明。

算力 提高天气预报效率的人工智能

最初的天气预报是一门玄学，纯粹靠人们的生活经历来判断。流传至今的一些谚语也能反映早期人们对天气的关注，如朝霞不出门，夕阳千里行、天云飞扬，雨雪不停。天气图的诞生预示着现代天气预报的开始。同时，电报的出现可以快速传输和集中各气象站的观测数据，使绘制实时天气预报成为可能。天气图更擅长预报短期天气，面对中长期天气预报，这种方式也很无助。数值天气预报的到来解决了这个问题。

数值天气预报是指根据大气的实际情况，在一定的初始和边缘条件下，通过大型计算机进行数值计算，解释流体力学和热力学的方程组，预测未来一定时期的大气运动状态和天气现象。

解决天气方程组并不容易。英国数学家查逊在《天气预报》一书中写道了他的计算过程。1916年至1918年，里查逊首次尝试进行数值预测。在此期间，他组织了大量人力，使用手动计算机耗时12美元 一个月才完成。因此，他得出结论，如果一个人日夜不停地计算，需要6英镑.4万天；即使让6.平行计算4万人需要一整天来估计未来24小时的天气。

由于数值预测需要处理大量的观测数据，因此必须依靠高计算能力的设备来完成。电子计算机的诞生完美地解决了这个问题，随着计算能力水平的提高，每10年增加一天。到目前为止，数值预测已成为主流的预测模式。

同时，气象观测需求和观测设备升级，当前观测范围从地面扩展到数公里，观测元素也从温度、湿度、风速、气压到更复杂的物理量，同时由于城市化进化、工业转型、一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫等气体浓度也纳入监测范围。这些都与计算机设备的升级是分不开的。

事实上，高性能计算机升级的新闻在世界主要气象机构中也很常见。2020年初，英国宣布将在未来十年内花费12亿英镑建造天气预报专用超级计算机，以加快天气预报；同年，美国国家海洋和大气管理局宣布购买12台PFLOPS 峰值计算能力的高性能计算机专门用于气象分析和预测；在中国，许多超级计算中心也与当地气象部门合作，为人们提供精细的气象预测服务。

随着生活水平的提高，人们对天气预报的时空精度提出了更高的要求，气象行业的数据量呈现出大规模增长的趋势。如何在气象预报中引入人工智能，如何利用人工智能技术提高预报精度已成为全球热门话题。

研究表明，依靠人工智能天气预报模式，台风、雷暴、飓风等灾难性事件的预测水平可以显著提高。基于20的日本研究小组 105年以来的实验数据绘制 通过人工智能深度卷积神经网络处理，获得全球云系统分辨率模型，可提前一周识别夏季西北太平洋热带低压的发生。在中国，也有一些天气预报应用，利用人工智能实现分钟级和街道级。

随着技术的成熟和计算能力的提高，未来将产生更多的应用场景和气象服务产品，为行业带来更多的新机遇，为人们的生产和生活提供更有价值的信息。

改变科研范式的计算能力

科学研究在不同的时代有不同的范式，打破旧的范式框架就是范式革命。2007 吉姆，计算机科学家·格雷在演讲中提到了科学研究的四个范式，即描述自然现象的第一个范式、计算关键变量的第二个范式、通过计算机验证预测的第三个范式、通过计算机分析得出结论的第四个范式。有些人还将第四种范式称为基于大数据的科学研究。它的到来表明，我们习惯于重建结论第一-模拟验证的研究方法，高性能计算能力在科学研究中更加突出。

同样需要计算机参与科研过程，第三范式强调理论先行，也就是先提出可能的结论，再通过算法、数据、仿真来佐证假设的合理性；而第四范式注重数据先行，基于已有的大量数据，再通过高性能计算机经过复杂的计算过程，得到以前未知的结论，是完全基于数据的科研模式。假如说人脑在第三范式中是主角，那么计算机和数据在第四范式中就占据了主导地位。

第四种范式颠覆了几千年来人们的思维实践。人脑更喜欢分析事物的因果关系，这与某种现象背后的原因有关；计算机不擅长因果逻辑，但在相关性探索方面更好。·迈尔·舍恩伯格在《大数据时代》一书中提到，大数据时代最大的变化是放弃对因果关系的渴望，而不是关注它。

第四种范式在许多领域产生了一系列革命性的成就。

中微子是一种广泛分布在自然界中的基本粒子，可以穿过人体、墙壁、山脉、湖泊、恒星，难以捕捉和探测，被称为幽灵粒子。然而，科学家们花了20多年的时间预测到微子的存在。常规物理实验和宇宙探测手段无法观察和研究中微子。由于超算的建立，2015年 2000年，中国科学家利用天河2号超算系统完成了宇宙中30万亿粒子数的微子和暗物质数值模拟，揭示了宇宙爆炸1.6万 年以来约137亿年的漫长演化过程，帮助人类打开探索宇宙射线起源的大门。

2020年2月，麻省理工学院在顶尖学术期刊《细胞》上发表突破性研究成果，声称利用人工智能技术发现一种新型抗生素，可能是目前最强大的抗生素之一；谷歌 DeepMind 团队开发的 AlphaFold 蛋白质三维结构可以基于大量的基因组数据进行预测，为2019年生物医学研发提供重要依据 经过两年的数据校准分析，超级计算机发布的黑洞图像成功地证实了爱因斯坦的广义相对论。

我们可以看到，随着计算机性能日益完善的发展趋势，科研第四范式掀起了科学方法与信息技术融合的革命。科学家可以很容易地从自然到社会，从微观到宏观获得大量的观察和实验数据，当这些数据可以自由流动，智能处理，可以集成关联，当数据分析处理手段像水电，按需供应，知识的发现和传播变得更加频繁和有意义。

算力与元宇宙

2021 年 10 月，Facebook 首席执行官扎克伯格Facebook Connect会议宣布将公司更名为 Meta，英语单词来自元宇宙 Metaverse。消息一出，就引起产业各界极大关注。

从Metaverse字面意义，Metaverse = Meta verse。其中，Meta这个英文前缀的初衷是超越和变化；verse 则取自于universe，表示宇宙、物理世界。Metaverse 可以理解为超越宇宙的宇宙，是现实世界之上的宇宙。元宇宙的具体定义有不同的意见。一个更具代表性的定义是：基于未来互联网，具有连接感知和共享特征的3D虚拟空间。

元宇宙吸收信息革命(5G/6G)、互联网革命（web3.0)，人工智能革命，以及 VR、AR、MR，特别是虚拟现实技术革命的结果，包括游戏引擎，向人类展示构建与传统物理世界平行的全息数字世界的可能性；引发信息科学、量子科学、数学和生命科学的互动，改变科学范式；促进传统哲学和社会学，甚至人文科学体系的突破；区块链技术和 NFT 数字金融成果丰富了数字经济转型模式。

因此，元宇宙的支撑技术可以说是数字技术的一大成就。如果将元宇宙与人类进行比较，物联网技术、显示交互技术、三维建模技术和实时渲染技术是外部性能技术。人工智能技术、区块链技术、网络和计算技术是支持元宇宙内部运动的内部技术，特别是网络和运输技术可以说是支撑元宇宙的内在骨骼。

元宇宙要通过数字技术与现实世界无缝切换，需要传输庞大的数据量以VR 设备为例，使用时要消除纱窗效应，图像至少应达到16K分辨率，且需满足120Hz 以上的刷新频率。这意味着每秒至少会产生15GB的数据量。现网实测的5G云VR业务模型时延达到了70ms，但如果想让人们在使用XR时不产生眩晕感，沉浸式XR的端到端时延必须小于20ms，这需要网络的进一步发展。此外，元宇宙需要支持的交互用户规模将达到亿级。目前大型在线游戏均使用客户端软件，并以游戏运营商服务器和用户计算机为处理终端的运行模式，对计算机终端的性能要求较高，形成了用户使用门槛，进而限制了用户触达。同时，终端服务器承载能力有限，难以支撑极大规模用户同时在线。

只有无处不在的网络连接、低延时大带宽的通信质量，才能让人们在现实和虚拟的世界之间穿梭自如。通信网络的发展成熟，能够以超低时延帮助用户获得媲美本地主机的渲染质量；边缘计算，为支撑虚拟世界庞大内容体系和计算要求，实现虚拟世界的流畅运转提供了方案。5G 、物联网的大规模建设，大规模数据中心的落成以及“东数西算”的推进，在网络数据传输和算力方面为元宇宙基础设施建设提供了土壤。如何进一步释放资源潜力，实现技术与资源的灵活调配、高效协同，是元宇宙基础设施要解决的关键问题。

有观点认为，互联网的下半场是元宇宙的主场，在线游戏、社交互联网、云计算、智能穿戴等产业链将迎来空前繁荣的发展。在网络和算力的共同提升下，元宇宙的技术门槛将不断降低，将会大幅提升元宇宙的可触达性。在国家政策和市场需求的强大感召下，近几年我国公私有云热度持续攀升，为元宇宙技术发展提供了技术土壤。未来，运行在泛在、智能、敏捷、融合的算力架构之上的数字世界，会出现更多可能。

本文节选自中信出版集团的《云网融合：算力时代的数字信息基础设施》，作者：李正茂  雷波  孙震强  王桂荣 陈运清。

 

数字经济发展速度之快、辐射范围之广、影响程度之深前所未有，数字技术正在深刻影响着人类社会的发展进程。尤其是以算力为基础的数字信息基础设施越来越成为科技进步、经济社会发展的底座，改变了人类的生产方式、生活模式和科研范式，其代表着人类智慧新的发展水平，其战略性地位受到国家前所未有的高度重视并引发全球各国启动新一轮竞争布局，产业内外也争相加速部署算力设施领域以抢占发展先机。

本书主要依托作者在通信、信息行业30多年的从业经验，从电信运营商的角度切入，围绕算力时代、算力应用、算力体系、算力趋势以及云网融合下的数字信息基础设施等展开了全方位的论述。本书不仅适合通信、信息领域相关从业人员阅读，还适合通信、信息技术相关专业的高校师生参考，更会给对数字经济和信息基础设施感兴趣的社会各界人士带来启发与帮助。

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