中国算力发展指数白皮书（2022年）

No.202215 中国算力发展指数白皮书 (2022年) 中国信息通信研究院2022年11月 版权声明 本白皮书版权属于中国信息通信研究院，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：中国信息通信研究院”。违反上述声明者，本院将追究其相关法律责任。 前言 当前，算力的重要性已被提升到新的高度。算力作为数字经济时代新的生产力，对推动科技进步、行业数字化转型以及经济社会发展发挥重要作用。全球算力发展正面临应用多元化、供需不平衡等挑战，人工智能、数字孪生、元宇宙等新兴领域的崛起，推动算力规模快速增长、计算技术多元创新、产业格局重构重塑。 2021年是“十四五”开局之年，是我国构建新发展格局的起步之年。面对复杂严峻的国际环境和国内疫情多发散发等多重考验，我国算力发展水平实现稳步提升，整体呈现以下几方面特征： 算力规模持续扩大，智能算力成为主要动力。从基础设施侧看，我国数据中心、智能计算中心加快部署，2021年基础设施算力规模达到140EFLOPS，位居全球第二。在用数据中心机架规模超过520万 标准机架，已投运智能计算中心近20个，在建智能计算中心超20个。 从计算设备侧看，我国近六年累计出货超过1960万台通用服务器，50万台AI服务器，算力总规模达到202EFlops，全球占比33%，增速达到50%，其中智能算力成为增长驱动力，增速达到85%。 算力产业蓬勃发展，算力创新能力不断提升。当前我国已形成体系较完整、规模体量庞大、创新活跃的计算产业，计算产业规模约占电子信息制造业的20%，规模以上企业2300余家，整机市场份额不断攀升，形成覆盖底层软硬件、整机系统及应用的产业生态，涌现一批先进计算技术创新成果，计算芯片、计算系统、计算软件等环节持 续取得突破，新兴计算平台和系统加速创新，前沿计算技术多点突破。 发展环境持续优化，行业赋能效益日益显现。我国网络基础设施能力稳步提升，省际出口带宽扩容力度不断加大，5G网络建设持续推进，算网协同体系快速发展。算力投资继续扩大，“东数西算”工程带动西部地区投资力度明显增强。数据产量快速增长，数据资源开放共享步伐不断加快。我国消费和行业应用算力需求增长迅猛，互联网依然是最大的算力需求行业，算力占比近50%，电信、金融是算力应用较大的传统行业，制造业算力需求有较大提升潜力。 算力助推经济增长，各地加快发展步伐。2021年我国以计算机为代表的算力产业规模达到2.6万亿元，直接和间接分别带动经济总产 出2.2万亿和8.2万亿元。京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝双城经济圈等区域算力发展处于领先水平，其中广东、北京、江苏、浙江、上海、山东位于第一梯队。中西部核心省份算力发展日益崛起，但目前仍面临技术产业薄弱、发展环境亟待优化、算力需求少等问题。 2022年白皮书在2021年基础上，加强了对算力供给水平的评价，从算力规模、算力产业、算力技术、算力环境和算力应用五个维度建立中国算力发展指数2.0，增加了算力产业和算力技术两个维度，更加客观评估我国整体及各省份现阶段的算力发展水平，希望为各地推进算力技术产业、基础设施建设及算力应用发展提供参考。 白皮书仍有诸多不足，恳请各界批评指正。 目录 一、全球算力进入新一轮快速发展期2 （一）算力规模稳定增长2 （二）算力产业蓬勃发展4 （三）算力技术多元创新6 （四）算力赋能持续深化10 （五）算力竞争不断加剧12 二、我国开启算力赋能数字经济新篇章14 （一）算力规模持续扩大，智能算力成为增长动力14 （二）供给水平大幅提升，先进计算创新成果涌现17 （三）发展环境持续优化，网络体系打通数据动脉18 （四）赋能效应不断激发，智改数转进入纵深发展21 （五）算力助推经济增长，数字经济实现量质齐升24 三、中国算力发展指数评估26 （一）指标建立依据28 （二）指标体系建立31 （三）我国算力评估33 （四）算力发展指数与经济的关系41 四、加快夯实算力基础底座，激发数字经济发展引擎42 （一）夯实算力底座，引导基础设施布局42 （二）坚持创新驱动，促进核心技术研发43 （三）打造产业体系，提升计算产品供给44 （四）营造发展环境，优化网络数据服务44 （五）丰富融合应用，强化算力行业赋能45 （六）加强国际合作，推进一带一路建设45 附件一：算力指数测算框架46 （一）算力规模分指数测算方法46 （二）算力产业分指数测算方法47 （三）算力技术分指数测算方法48 （四）算力环境分指数测算方法48 （五）算力应用分指数测算方法49 附件二：数据来源50 图目录 图1算力发展研究体系2 图2全球算力规模及增速3 图3先进计算技术产业体系框架7 图42021年全球算力规模与GDP关系12 图52021年全球算力规模分布情况13 图6我国算力规模及增速16 图7我国算力内部结构17 图8我国移动通信基站发展情况19 图9我国IT硬件、软件、服务支出规模20 图10我国各行业算力应用分布情况22 图112016-2021年移动互联网流量及月DOU增长情况24 图122016-2021年全球和我国算力规模与GDP、数字经济规模关系25 图13中国算力发展指数2.027 图142021年中国部分省份算力发展指数34 图152021年中国部分省份算力规模分指数35 图162021年中国部分省份基础设施算力规模36 图172021年中国部分省份算力产业分指数37 图182021年中国部分省份算力技术分指数38 图192021年中国部分省份算力环境分指数39 图202021年中国部分省份算力应用分指数40 图21算力发展指数与GDP关系41 表目录 表1中国算力发展指标体系31 算力是数字经济时代新生产力，已成为推动数字经济发展的核心力量、支撑数字经济发展的坚实基础，对推动科技进步、促进行业数字化转型以及支撑经济社会发展发挥重要的作用。根据中国算力发展指数白皮书（2021年）测算，算力每投入1元，将带动3~4元的经济产出。 当前算力发展面临应用多元化、供需不平衡的挑战。一方面，迈入万物智能时代，新兴技术的快速兴起、海量数据的爆发性增长以及应用场景的日益多元化，激发算力成百上千倍增长，加速算力多样化升级。另一方面，算力的提升面临多维度的挑战，从芯片到算力的转化依然存在着巨大的鸿沟，现有计算技术升级能够带来的算力规模增速大约每年仅数倍，供需之间的差距依然很大，不论是硬件层面还是架构层面，计算技术发展都亟需变革。 基于算力的内涵和特点，2021年白皮书主要从算力规模、算力环境和算力应用三个维度建立算力发展研究体系。2022年白皮书在2021年基础上，从算力规模、算力产业、算力技术、算力环境和算力 应用五个维度进一步完善算力发展研究体系，如图1所示，增加了算力产业和算力技术两个维度，加强了对算力供给水平的评价，突出计算技术和产业对于算力发展的基石作用。在数字经济时代，算力规模是国家和地区数字化生产力发展水平的重要指标，是生产力；算力产业是算力发展的基础底座，是竞争力；算力技术是算力创新发展的源泉，是驱动力；算力环境是算力发展的重要条件，是辅助力；算力应 用反映了算力发展的需求状况，是牵引力。以先进计算为代表的算力技术和算力产业为算力规模发展提供坚实支撑，算力环境为算力规模、算力技术和算力产业的发展提供土壤，算力应用拉动算力规模和算力产业的增长，驱动算力技术升级，五大要素相互促进、协同发展。 来源：中国信息通信研究院 图1算力发展研究体系 一、全球算力进入新一轮快速发展期 算力是数字时代的新生产力。万物智能时代对计算的需求呈百千倍递增态势，科学研究、人工智能、数字孪生以及元宇宙等新兴领域的快速崛起，推动全球算力规模的快速增长，驱动算力技术与产品的多元创新，带动产业格局的重构重塑，算力成为全球数字经济发展新引擎和各国战略竞争新焦点。 （一）算力规模稳定增长 全球算力规模保持高速稳定增长态势。在以万物感知、万物互联、万物智能为特征的数字经济时代背景下，全球数据总量和算力规模继 续呈现高速增长态势。根据国家数据资源调查报告数据，2021年全球数据总产量67ZB，近三年平均增速超过26%。经中国信息通信研究院测算，2021年全球计算设备算力总规模达到615EFlops，增速达到44%，其中基础算力规模1（FP322）为369EFlops，智能算力规模3（换 算为FP32）为232EFlops，超算算力规模（4换算为FP32）为14EFlops。 结合华为GIV预测，2030年人类将迎来YB数据时代，全球算力规模达到56ZFlops，平均年增速达到65%，其中基础算力达到3.3ZFlops，平均年增速达27%；智能算力达到52.5ZFlops，平均年增速超过80%；超算算力达到0.2ZFlops，平均年增速超过34%。 来源：中国信息通信研究院、IDC、Gartner、TOP500 图2全球算力规模及增速 1基础算力规模按照全球近6年服务器算力总量估算。全球基础算力=∑近六年（年服务器出货规模*当年服务器平均算力）。 2FP32为单精度浮点数，FP16为半精度浮点数，FP64为双精度浮点数。 3智能算力规模按照全球近6年AI服务器算力总量估算。全球智能算力=∑近六年（年AI服务器出货规模*当年AI服务器平均算力）。 4超算算力规模主要是基于全球超级计算机TOP500数据，并参考超算生产商的相关数据估算。 需求多元化加速算力多样化升级。多样化的智能场景需要多元化的算力，人工智能、科学研究以及元宇宙等新兴领域快速崛起都对算力提出更高要求。以元宇宙为例，英特尔预估元宇宙需要将计算能力提升一千倍，英伟达认为沉浸式体验下的实时渲染算力还差百万倍。基础算力方面，云计算已基本恢复到疫情前增长水平，根据IDC数据，2021年全球云计算IaaS市场规模增长至913.5亿美元，同比上涨35.64%，IaaS+PaaS市场累计达1596亿美元，同比增长37.08%。云计算在未来将成为主流的通用计算模式，既为大数据、人工智能、5G等新技术提供基础支撑，也为产业数字化转型与智能化升级提供动力源泉。智能算力方面，当前海量复杂数据处理需求与单一算力供给之间存在矛盾，全球急剧扩增的数据中80%以上都是非结构化数据 （文本、图片、语音、视频等），随着摩尔定律和登纳德缩放定律放缓，以CPU为代表的芯片年性能提升不超过15%，难以满足处理视频、图片等非结构化数据的需求，亟需多样化的智能算力。超算算力方面，十年千倍定律依然在持续，美国橡树岭国家实验室（ORNL）的新型超级计算机Frontier以Linpack基准测试1.102EFlops（每秒百亿亿次浮点运算）的性能，超越日本的Fugaku，成为全球首个公开确认的百亿亿次超级计算机，全球超级计算机正式进入E级计算时代。 （二）算力产业蓬勃发展 受益于经济的快速复苏，全球服务器市场持续增长。整机方面， 2021全球服务器市场出货量和销售额分别为1353.9万台和992.2亿 美元，同比增长6.9%和6.4%。HPE/新华三在全球服务器市场上位居榜首，市场份额达到15.6%，戴尔、浪潮、联想和华为分列二到五位，市场份额分别为15.4%、8.9%、6.4%和1.9%。芯片方面，服务器芯片市场长期被X86架构所主导，英特尔、AMD市场份额分别为81%、16%，随着英特尔在服务器主导地位的削弱，AMD市场份额仍将持续提升。此外ARM服务器芯片产品逐步崛起，英伟达、亚马逊、华为、阿里等国内外巨头已陆续推出自研ARM服务器CPU，预计ARM服务器市场份额也将不断提升，到2024年接近10%，成为通用算力的重要补充力量。 训练数据规模和模型复杂度的不断增大，推动AI服务器需求快速增长。整机方面，据IDC统计数据，2021年，全球AI服务器市场规模达156亿美元，同比增长39.1%，超过全球AI整体市场（含硬件、软件及服务）增长率22.5%，成为AI整体市场增长