先进计算应用创新研究报告（2024）

先进计算应用创新研究报告 (2024) 先进计算产业发展联盟 2024年12月 版权声明 本研究报告版权属于先进计算产业发展联盟，并受法律保护。转载、摘编或利用其他方式使用本研究报告文字或者观点的，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 当下，全球正步入一场前所未有的先进计算技术革命与产业升级的浪潮之中，以高性能计算、大数据、深度学习、边缘计算等前沿技术为引领的先进计算领域正以前所未有的速度蓬勃发展，为全球经济的发展注入了强大的动能。先进计算技术不仅是数字经济规模不断发展的核心引擎，更是数字经济深度赋能各行各业、推动社会全面进步的关键技术支柱。 先进计算技术的广泛应用，极大地提升了信息解析与数据处理的速度与质量，成为驱动前沿科技不断取得新突破的核心力量。各行业对先进计算技术的应用日益深入，计算技术的赋能效应愈发凸显，先进计算技术与实体经济的深度融合，正以前所未有的速度向智能制造、智慧城市、金融科技、科学研究、自动驾驶等关键领域拓展，引领产业向更高层次的数字化、智能化转型升级，极大地促进了各行各业生产效率与服务水平的双重提升。 面对全球科技革命与产业升级的历史性机遇，加速构建现代化产业体系，离不开对先进计算技术的深度应用与全面推广。我们应充分利用国内市场的广阔空间，加速构建以先进计算技术为核心的内循环体系，推动先进计算技术与各行各业的深度融合，不断提升技术的行业适配性与应用的广泛性，加速先进计算技术的规模化、产业化发展。 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、深圳市九天睿芯科技有限公司、北京升哲科技有限公司、深圳鲲云信息科技有限公司、曙光云计算集团股份有限公司、深圳量旋科技有限公司、中电凯杰科技有限公司、中国长城科技集团股份有限公司、上海天数智芯半导体有限公司 参编人员：何秀菊、邸绍岩、王骏成、孙丽明、王昊、刘立平、刘佳玮、姚曳、沈浩涛、刘洪杰、陈颖、马鑫、栾丽红、戴洁、王琪、雷金龙、龙志中、郭聪、汤庆、付芦静、易潇雨、吕启闻、赵童格、胡铭珊 目录 一、全球先进计算应用发展态势1 （一）全球先进计算应用呈现多元化发展态势1 （二）先进计算推动传统行业数字化转型升级1 （三）先进计算促进新兴产业快速智能化发展2 （四）先进计算支撑未来产业创新探索发展4 二、我国先进计算应用情况分析4 （一）先进计算赋能传统产业升级5 （二）先进计算加快新兴产业壮大6 （三）先进计算支撑未来产业发展7 三、先进计算主要应用场景分析8 （一）工业制造8 （二）智慧城市10 （三）自动驾驶11 （四）音视频领域12 （五）智慧园区14 四、应用案例15 （一）基于PK体系的工业数据采集——中电凯杰15 （二）自动驾驶——九天睿芯17 （三）青海人工智能算力中心——升哲科技18 （四）煤炭行业AI管控平台——曙光云21 （五）金陶矿业AI视频分析系统——鲲云信息23 （六）量子算法在基因组组装的应用——量旋科技25 （七）量子计算在电池材料方面的应用——中国长城28 五、先进计算应用推进建议31 （一）加强顶层设计，明确产业发展方向31 （二）加强产学研用协作，构建产业链生态体系32 （三）引导差异化发展，推进规模化商用32 图目录 图1基于PK体系的表面贴装数据采集示意图16 图2一体化数智解决方案22 图3基因组测序流程25 图4VQE算法流程示意图26 图5基于分布式VQE算法的基因组组装流程示意图27 图6基因组组装问题的参数化量子线路示意图27 图7基于分布式VQE基因组组装方法的性能测试结果28 图8节约资源型VQE分子基态能量求解方法整体框架30 图9VQE算法求解分子基态能量线路图30 一、全球先进计算应用发展态势 （一）全球先进计算应用呈现多元化发展态势 技术融合引领应用创新。当前，先进计算技术之间的深度融合已成为驱动应用创新的核心动力。各类技术的相互渗透、互补，不仅打破了传统计算模式的界限，更开辟了解决复杂问题、提升效率与性能的全新路径。一方面，高性能计算与人工智能正呈现融合态势，高性能计算提供的强大算力为AI模型训练、大数据分析等提供了算力基础，而AI的智能化算法则进一步优化了HPC的任务调度、资源分配等过程，两者相辅相成，极大地提升了复杂问题求解能力。另一方面，量子计算与经典计算的量超融合也成为全球科研团队的研究方向。 跨界融合催生新兴应用场景。随着先进计算技术的不断成熟与创新，其应用边界被不断拓宽，不再局限于传统的高性能计算或大数据处理领域，而是深度渗透到各行各业，形成跨领域、跨行业的综合应用体系。同时，智能计算对基础科学研究以及工业和城市治理的赋能效应日益显著。在科学研究领域，智能计算已广泛应用于新药创制、基因研究、生物育种等方面。在工业领域，智能计算推动了生产制造的数字化转型。在智慧城市领域，智能计算则成为智慧城市建设的核心驱动力，助力环境监测、公共安全，实现资源高效配置与个性化服务。 （二）先进计算推动传统行业数字化转型升级 优化运营流程，提升效率与灵活性。通过引入智能算法、大数据分析、云计算等技术，传统行业实现了对生产流程的精准控制、资源 的高效配置以及故障的预测性维护，从而大幅提升了生产效率，降低了运营成本。在工业领域，人工智能、大数据等技术被广泛应用于生产线自动化和智能化改造。通过引入机器人和自动化设备，结合机器视觉和AI算法，大幅提高了生产精度和效率。在零售业，大数据分析优化了供应链管理，实现了库存与采购的精准安排。在金融领域，先进计算则为风险管理提供了强有力的支持，提升了市场预测与决策的准确性。 创新服务模式，增强客户体验。先进计算为传统行业提供了数据分析和智能决策支持，帮助企业挖掘数据价值，增强市场竞争力。在工业碳管理领域，大数据、人工智能、区块链等先进计算技术与工业碳管理交叉融合，助力数字化碳管理向更便捷、更全面、更安全的方向演进，进一步优化了服务模式，提升了客户体验。在工业数据流通领域，新型“可信数据空间”引入时空码和数联网两项原创核心技术，为当前我国数据流通基础设施建设提供系统性解决方案。在能源行业，通过能源云聚焦底座规划，加快推进新能源基础设施建设，并积极探索将云应用在能源生产等业务环节，从基础设施云化改造向综合能源服务云平台转变，显著提升服务效率。 （三）先进计算促进新兴产业快速智能化发展 促进新型信息基础设施建设。算力基础设施是新型信息基础设施的重要组成部分，也是地方发展人工智能产业和产业数字化的重要创新载体1。当前人工智能技术及生态迭代加快，对智能算力提出更强 1工业和信息化部等六部门关于印发《算力基础设施高质量发展行动计划》的通知，2023年10月 更大规模的需求。在政策上，各国均重视智算中心、数据中心等算力基础设施建设。美国在《国家人工智能研究和发展战略计划》中明确将AI基础设施建设作为AI发展的重要战略支持，并通过成立智算中心基础设施特别工作组等，支持和推动智算中心的落地和发展。英国政府宣布将数据中心列为“关键国家基础设施”。新加坡推出绿色数据中心路线图，为基础设施优化提供指导，并通过激励措施和政策吸引数据中心的投资建设。日本经济产业省拟出资超700亿日元支持多家日企的智算中心建设。我国也在主动布局，《算力基础设施高质量发展行动计划》等政策从计算力、运载力、存储力、应用赋能四大方面提出算力基础设施建设的主要目标和重点任务。 促进产业竞争力提升。在人工智能、新能源、新材料、高端装备、新能源汽车、区块链等新兴领域，先进计算提供了强大的计算能力和数据处理能力，先进计算聚焦技术研发、产品革新、业务模式优化等方面的深度应用，有效促进产业竞争力提升、产业规模化发展、可持续发展能力增强。中国信息通信研究院联合先进计算推进工作组专家咨询委员会发布的《先进计算技术路线图（2023年）》提出，先进计算发展已进入新阶段——“智能计算时代”（约从2020年延续至 2035年）。当前阶段的特点是：从工艺为核心的通用计算进入系统创新主导的多元计算，具体而言，在系统创新层面，正在探索形成多样化的计算架构，重点包括多元异构计算、数据核心计算、泛在协同计算、绿色低碳计算、安全可信计算等技术创新路径；在基础软硬件 创新层面，更加重视并大力推进计算设备、计算芯片及零部件、基础 软件等关键产品的技术创新与规模化应用，同时着力提升开发环境与配套支撑能力，为产业竞争力的持续提升奠定坚实基础。 （四）先进计算支撑未来产业创新探索发展 塑造并引领未来产业发展新方向。先进计算技术作为核心驱动力，其影响力日益凸显。这一技术不仅催生了诸如元宇宙、远程医疗、生成式人工智能等一系列极具潜力的未来业态，还深刻改变了人们的生活方式，并显著促进了经济结构的优化与升级。以远程医疗领域的典型应用为例，AIGC大模型可以用于治疗疾病、诊断指标和制药等。随着技术的不断进步与应用的日益广泛，先进计算技术必将在促进未来产业发展方面发挥更加重要的作用，为人类社会的可持续发展贡献更大的力量。 加速技术创新突破。先进计算技术以其强大的计算能力和高效的数据处理能力，显著加速了在未来产业领域关键技术的研发与应用进程，进而推动了技术的迭代升级与产业的快速发展。具体而言，在元宇宙的构建中，先进计算技术提供了沉浸式体验所需的实时渲染与交互能力，使得虚拟世界更加真实、生动。在脑机接口领域，先进计算技术助力实现了大脑信号的高效解码与编码，推动了人机交互的新境界。先进计算技术在未来产业的技术创新突破中发挥着不可或缺的作用，它不仅是推动技术迭代升级的关键力量，也是促进未来产业高质量发展的核心驱动力。 二、我国先进计算应用情况分析 先进计算作为融合了超算、智能计算、量子计算等多种计算技术 与服务的综合技术体系，正在成为促进经济发展的重要力量。 （一）先进计算赋能传统产业升级 在制造业领域，通过智能工厂以及人机协同等应用，推动传统制造业向智能化生产、网络化协同、个性化定制、服务化延伸的方向深度融合与升级。以工业制造为例，通过集成信息技术（IT）、运营技术（OT）、通信技术（CT）以及数字技术（DT）等技术，制造业实现了对生产数据的实时采集与深度分析。这一过程优化了生产流程，提升了生产效率，还精准预测了市场需求，为企业的精细化管理与智能化决策提供了坚实的数据支撑。先进计算在制造业中的深入应用，成为推动制造业转型升级、提升国际竞争力的重要引擎，加速了制造业向智能化、个性化方向的迈进。 在音视频领域，先进计算尤其是高性能计算技术的运用，显著提升了音视频处理的效率，为音视频领域的发展做出了重要贡献。通过高性能计算和云计算，可以实现大规模的音视频数据存储、处理和分析，能够大幅提升音视频内容的处理能力，提高音视频内容的制作效率。同时，算力网络通过云边端多层次算力的协同供给，实现了算网一体深度融合，加速了算力服务化的进程。这一应用，强力推动了音视频技术创新、产业升级和应用拓展，更好地满足了用户对智能化、沉浸式体验需求。 在城市管理领域中，先进计算扮演着至关重要的角色，对推动城市管理质量的提升与效率的增长具有显著影响。以城市交通管理为例， 通过大数据技术，能够高效地分析并处理海量交通数据，进而实现对 交通流量的精准预测，不仅为交通管理者提供了更为科学的决策依据，也显著提高了交通管理的效率与响应速度。同时，云计算技术的引入，使得远程监控成为可能，实现了对交通状况的实时掌握，通过实时调度，可实现对交通资源的优化配置。而智能决策的支持，进一步提升了交通管理的智能化水平。这一系列的应用，有效缓解了城市交通拥堵的难题，为城市交通的可持续发展奠定了坚实的基础。 （二）先进计算加快新兴产业壮大 在自动驾驶领域，云计算平台强大的计算能力和存储空间，为自动驾驶系统复杂的机器学习模型训练与持续优化提供了坚实的基础。边缘计算技术的引入，通过在数据源附近高效处理数据，显著降低了数据传输的延迟，为自动驾驶提供了实时的决策支持。为进一步推动智能网联汽车的发展，智能