先进计算应用创新白皮书

先进计算应用创新白皮书 （2023） 先进计算产业发展联盟 2023年12月 版权声明 本白皮书版权属于先进计算产业发展联盟，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：先进计算产业发展联盟”。违反上述声明者，将追究其相关法律责任。 前言 当前，全球正处于新一轮科技革命和产业变革浪潮之中，以5G、云计算、人工智能、工业互联网等为代表的数字技术快速发展，深入到社会生活和经济发展的各个领域，赋能全球经济发展活力。先进计算产业扮演着重要角色，既是数字经济规模增长的助推器，又是数字经济发挥赋能作用的技术驱动力。 先进计算技术的应用推动信息和数据处理能力大幅攀升，成为前沿技术加速突破的关键力量和产业数字化转型的重要驱动，行业应用逐步走向深化，计算赋能作用愈加显著，先进计算产业与实体经济深度融合，加速向制造、交通、金融、教育、医疗等传统行业渗透，带动产业数字化转型升级，促进各行各业生产效率提升。 把握新一轮科技革命和产业变革机遇，推动现代化产业体系建设，需要深入推进先进计算产业应用。依托国内大市场加快内循环建设，推动先进计算技术与各行业进行深度融合，提高产品适配能力，推动先进计算应用规模化发展。 编制单位：先进计算产业发展联盟 参编单位：中国信息通信研究院、深圳信息通信研究院、浪潮电子信息产业股份有限公司、中电科申泰信息科技有限公司、湖南大学、曙光云计算集团有限公司、浪潮计算机科技有限公司、深圳鲲云信息科技有限公司、深圳云天励飞技术股份有限公司、上海天数智芯半导体有限公司 参编人员：孙丽明、王昊、王骏成、王翰华、刘立平、傅凯铨、杨心浩、李茹杨、董刚、杨宏斌、杨亮、王亚军、陈果、易敏、杨凯钧、王军平、路延苹、廉继尧、公维锋、祝磊、何天洪、王少军、苍锐王晓然杨良、余雪松、胡铭珊 目录 一、先进计算应用发展态势1 （一）先进计算应用催生新的经济增长点1 （二）智能计算应用带来变革式发展前景2 （三）多国加速推进先进计算应用创新3 二、我国先进计算应用分析7 （一）我国先进计算应用初显成效7 （二）应用核心要素取得快速发展9 （三）先进计算应用拉动我国经济发展11 （四）先进计算应用需围绕场景持续下沉12 三、先进计算主要应用场景分析13 （一）科学研究13 （二）工业大脑15 （三）城市大脑16 （四）其他应用18 四、应用案例19 （一）遥感影像统筹及卫星应用系统——湖南大学19 （二）工业精益智能大脑先进计算平台与应用——曙光云计算集团有限公司21 （三）基于一云多芯的政务云平台——浪潮计算机科技有限公司25 （四）基于数据流AI芯片的生活垃圾全过程分类物联感知系统建设项目——深圳鲲云信息科技有限公司28 （五）基于高性能AI芯片边缘网关精准采集商圈客流画像与偏好数据——深圳云天励飞技术股份有限公司30 （六）基于国产人工智能计算芯片支撑体育教育姿态识别需求——上海天数智芯半导体有限公司33 五、先进计算应用推进建议36 （一）构建国家、行业、地方联动的推进机制36 （二）结合技术特点对重点行业分类施策37 （三）打造先进计算应用产业生态圈37 图目录 图1我国各行业算力应用分布情况15 图2工业精益智能大脑先进计算平台整体架构图28 图3浪潮超大规模多集群部署架构31 图4生活垃圾分类物联感知系统架构35 图5智慧商圈整体建设架构图37 图6姿态分析应用信息传输流42 一、先进计算应用发展态势 近年来，以人工智能、高端芯片为代表的新一代信息技术快速发展，先进计算面向海量数据、实时响应、多元场景、绿色安全等场景的信息处理需求，通过计算理论、计算器件、计算部件、计算系统等融合性创新和颠覆性重构，形成更高算力、更高能效、更加多样、更加灵活的计算产品，涵盖通用计算、智能计算、高性能计算、前沿计算等计算范畴，在数字政府、工业互联网、智慧医疗、远程教育、金融科技、航空航天、文化传媒等多个领域得到广泛应用。计算从最初的辅助性工具，已经转变为智慧时代发展的核心驱动力，带动技术演进、产业革新和赋能效应跃迁。 （一）先进计算应用催生新的经济增长点 先进计算应用促进新旧动能转换。算力的持续投入和算法模型、软件应用的快速演进为产业的数字化转型提供了强劲动力，通过直接改变生产方式，促进新旧动能加速转换。劳动者由人转变为“人+AI”，且数量成指数增长；劳动对象由工业时代的工业产品向“产品+数据”发展，且越用越多；劳动资料从工业设备向“工业+信息”设备迈进。在算力的加持下，工业数据的价值得以加速释放，智能引擎可以更好地优化生产资源、重构生产流程，提高制造业生产力。随着算力、算法、高速互联的发展，“车路协同”“车网互联”的智能网联汽车正加快发展，“安全、畅通、低碳、高效”的交通网络正在加速构建。基于智能计算、边缘计算、高性能计算等先进计算技术产品实现对数据的实时汇聚、监测、治理和分析，辅助宏观决策指挥，预测预警重 大事件，配置优化公共资源，支撑政府、社会、经济数字化转型。传统产业正在依靠算力实现自身转型升级，带动产业数字化进程快速发展。 先进计算应用推动数字经济发展。在数字经济时代，算力已成为继热力、电力之后新的生产力，先进计算的应用有效带动经济增长，算力本身产生了一些围绕数据产生、存储、调用等场景应用的新兴数字产业，元宇宙、大模型、智能驾驶、人机交互等新型数字化应用层出不穷，带动数字经济保持强劲增长势头。根据《中国算力发展指数白皮书（2023年）》数据显示，2022年全球算力规模增长47%，数字经济规模和名义GDP分别增长5.6%和3.8%。全球各国算力规模与经济发展水平密切相关，经济发展水平越高，算力规模越大。2022年算力规模前20的国家中有17个是全球排名前20的经济体，并且前五名排名一致，美国和中国依然分列前两位，同处于领跑者位置。与2021年相比，意大利、澳大利亚、巴西等国算力排名有所提升。 （二）智能计算应用带来变革式发展前景 垂直领域智能计算需求快速增长。以人工智能为主要推动力的智能计算正在向多元化、巨量化、生态化方向发展。2022年ChatGPT发布以来，业界对通用人工智能和AIGC等新兴人工智能技术和应用场景的关注度持续高涨，国内外各大科技公司纷纷布局并发布类似产品应用。ChatGPT等大语言模型需要的算力较大，例如，Google在2023年5月发布的PaLM-2，业界推测其算力消耗达到了84900PetaFlop/s-day，是GPT-3的22倍，需要一个10000片GPU卡的AI 计算集群训练2个月的时间。同时，智能计算的应用领域也在持续扩大，各行业业务的AI赋能需求日趋旺盛，垂直领域对于AI大模型训练和应用需求快速增长，AI+自动驾驶、AI+科学计算和AI+元宇宙也是2022年以来的业界产业落地热点。随着AI计算进一步向巨量化发展，智算中心和算力服务成为了用户获取算力的新模式。 部分场景智能计算应用开始落地。2022年以来，人工智能技术与行业融合渗透不断深入，成为智能交通、基础科学研究、元宇宙等领域创新突破的有力抓手，多种智能计算应用场景进入落地期。在智能交通场景，新兴的BEV+TransformerAI感知算法成为了自动驾驶感知的主流技术路线，并大大提升了基于摄像头等廉价传感器的感知算法精度，从而为自动驾驶技术的产业化落地应用提供了基础。当前国内小鹏、蔚来、理想等车厂纷纷在量产车型上布局使用L2+级别的辅助驾驶技术。在基础科学研究领域，AI算法已经广泛的应用于蛋白质结构预测、分子动力学模拟、流体力学仿真等多个应用场景。在元宇宙场景，基于AI算法建模和驱动的数智人已经在手机语音助手、智能客户等多个场景探索落地应用。 （三）多国加速推进先进计算应用创新 1.美国先进计算发展及应用情况 美国作为全球技术领导者，其先进计算应用广泛涉及多个领域，且均处于顶尖地位。超级计算作为先进算力对美国尖端技术研发和新兴产业培育起到了关键支撑作用。美国拥有多台位列全球前十的超级计算机，为科研、气象预报、生物医学等领域提供强大的计算支持。 3 全球超算TOP500榜单第一名的Frontier是美国第一个拥有1Exaflop/s （百亿亿次浮点运算每秒）的HPECreyEX系统（百亿亿级超级计算机），由美国橡树岭国家实验室（ORNL）研发，提供美国能源部使用。美国国立卫生研究院（NIH）通过超级计算机在生物工程方面不断突破，超算已在癌症早期筛查、人群中新冠传播模拟等研究中应用。在人工智能领域，美国科技巨头如Google、Facebook和Amazon都在积极开展AI研究，并将其应用于搜索、广告、语音识别等多个场景。谷歌建立神经网络模型，人工智能逐渐在围棋、阅读理解等领域超越人类，经过十多年的深耕后支持生成语言并在各行各业应用。OpenAI将transformer与无监督的训练技术相结合的训练GPT模型，2023年3月在经过微调模型之后，推出的GPT-4更具创造性且能接受更长文本输入。2023年9月微软在Windows11中全面接入集成至PC、可在所有程序和功能中无缝使用的AI助手MicrosoftCopilot。 2.欧洲先进计算发展及应用情况 欧洲通过发布实施欧洲高级计算伙伴关系（PRACE1)计划、量子通信基础设施（EuroQCI）计划等在超级计算、量子通信、人工智能领域投入大量资源，在云计算、物联网、工业4.0等领域有广泛的应用，为各行各业提供了强大的技术支持。在超级计算领域，欧洲高性能计算联合体拥有两台全球前五的超级计算机，其中LUMI系统是安装在芬兰CSCEuroHPC中心的HPECrayEX系统，是性能全球排名第三的系统，可提供更精确的气候模型，还能使人工智能更好的应用在 1PartnershipforAdvancedComputinginEurope 自动驾驶汽车、大规模社会科学分析、个体化医学研究等领域。同时，LUMI容量的五分之一将提供给欧洲工业和中小企业，以支持欧洲企业提高科研和竞争力。另一台是安装在意大利的Leonardo的超级计算机系统，系统被应用于数据密集型的AI及HPC应用，如天气预报、生物工程、材料设计等。在人工智能领域，欧盟委员会2021年耗资300万欧元资助的Robotics4EU项目，计划推动欧洲采用人工智能机器人，确保更广泛地采用可靠的机器人技术，特别是在医疗保健、基础设施检查和维护、农业食品和敏捷生产领域。在云计算领域，2023年8月，谷歌在德国开设了第二个云计算区域，是其到2030年在德 国数字基础设施投资18.5亿美元计划的一部分。新的数据中心被称为柏林-勃兰登堡地区，将与法兰克福云区域一起运营，将提供诸如谷歌计算引擎、谷歌Kubernetes引擎、云存储、持久磁盘、CloudSQL、虚拟私有云、密钥管理系统、云身份和秘密管理器等服务。在工业互联网领域，欧盟也有诸多应用，智能电网为其中典型，通过智能电表与电网基础建设使可再生资源得到更高效利用。 3.日本先进计算发展及应用情况 日本在超级计算机、光子计算机、量子通信以及半导体数字技术等方面处于优势领先地位。在超级计算机领域，日本东京工业大学和富士通于2023年5月宣布，将在2023年度内使用全球排名第二的超级计算机Fugaku“富岳”开发高级生成式人工智能AI，共同构建以日语为中心的基础技术，从2024年开始向日本国内企业无偿提供。在光子计算机和量子通信领域，日本电报电话公司（NTT）、东京大 学和理化学研究所2021年表示已开发出使用光子的新型计算机的核 心技术，计划到2030年制造出高性能实物机型。2023年3月，三家机构联合开发了一项新技术，将最先进的商业光通信技术应用于光子学领域并在美国科学期刊《AppliedPhysicsLetters》上发表论文，通过实现超越现有驻波量子计算机的行波系统，成功测量了世界上最快的43GHz实时量子信号。此外，日本计划在2020—2030年间建成绝对安全保密的高速量子通信网。在半导体数字领域，日本经济产业省2021年宣布确立半导体