先进计算暨算力发展指数蓝皮书（2024年）

No.202420 先进计算暨算力发展指数蓝皮书 （2024年） 中国信息通信研究院2025年1月 版权声明 本蓝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蓝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。 更名声明 原“集智”白皮书更名为“集智”蓝皮书。“集智”蓝 皮书将继续秉承原有的编撰理念和高质量标准，致力于提供有价值的信息和洞见。 前言 先进计算是面向新兴信息需求，在计算方式、位置、算法和机理等方面产生革新和进步的新兴计算技术及产业的统称，已成为促进经济社会变革、推动数字经济发展的核心动力。先进计算包括算力、算法、算据三大领域，涵盖云、边、端等多种计算方式。算力作为数字经济时代的核心生产力，对推动技术产业进步，加速数字技术与实体经济深度融合发挥着重要作用，其战略性地位和支撑性作用愈加凸显。当前，人工智能大模型的深度开发和应用对算力提出了更高要求，进一步推动了计算技术产业的持续迭代创新和格局重塑。2023年我国算力发展水平实现稳步提升，整体呈现以下四方面特征： 智能算力持续快速增长，算力规模稳步扩大。从基础设施侧看，我国通用数据中心、智能计算中心持续加快部署，2023年基础设施算力规模达到230EFlops，位居全球第二，在用数据中心机架规模超过810 万标准机架，全国累计建成智算中心达60个。从计算设备侧看，我国近六年累计出货超过2190万台通用服务器，114万台AI服务器，算力总规模达到435EFlops，全球占比31%，增速达44%，其中智能算力稳定高速增长，增速达62%，占全国总算力比重达三分之二。 计算技术创新成果涌现，计算产业蓬勃发展。技术方面，我国先后涌现一批先进计算技术创新成果，算法模型、计算芯片、计算软件、系统平台等环节持续取得突破并投入应用，计算机相关专利申请数连续4年突破三万件，前沿计算技术研发和产业化不断推进。产业方面，国内 已形成覆盖底层软硬件、整机系统及平台应用的完整产业生态，整机市场份额不断攀升，国内市场占比连续两年超过80%。 行业赋能作用不断深化，发展环境持续完善。互联网依然是我国算力需求最大的行业，在通用算力和智能算力中占比分别为38.6%和52%。与此同时，我国计算应用持续从互联网、电子政务等传统领域向服务、电信、金融、制造、教育等行业拓展，电信和服务行业算力占比进一步扩大。发展环境日益完善，我国网络基础设施能力稳步提升，5G网络建设超额完成任务，移动物联网覆盖更广用户，全国一体化算力网建设不断加快，算力协同能力快速提升。数据资源的价值得到更多关注和重视，数据资源开放共享水平不断提升。 算力助推数字经济增长，各地加快算力布局。近8年我国算力规模平均每年增长46%，数字经济增长13.2%，均高于全球平均水平。我国各地算力稳步发展，各省算力发展指数同比平均增长17%，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保持领先水平。伴随着全国一体化算力网络建设持续推进，中西部地区算力设施建设、技术创新、计算应用等水平快速上升。 2024年蓝皮书在2023年的基础上，进一步加强了全球和我国算力发展的研究，从更多角度客观评估我国整体及各省份现阶段算力发展水平，希望为各地推进计算技术产业、基础设施建设及计算应用发展提供参考。 蓝皮书仍有诸多不足，恳请各界批评指正。 目录 一、先进计算兴起带动全球算力高速发展1 （一）先进计算多元发展，计算技术创新活跃1 （二）数字产业稳步推进，算力赋能深化发展3 （三）算力规模持续增长，智算占比超过六成4 （四）计算产业快速发展，AI服务器加速增长6 （五）算力竞争不断加剧，国家战略加快布局8 二、多线发展推动我国算力量质齐升11 （一）算力规模稳定增长，智能算力持续高速增长11 （二）计算产业占比二成，先进计算创新成果涌现14 （三）全光网络加快建设，数据资源体系逐渐完善15 （四）赋能作用充分发挥，大模型应用深入千百业17 （五）算力助推经济增长，数字经济发展动能强劲18 三、先进计算暨算力发展指数评估19 （一）指标建立依据21 （二）指标体系建立22 （三）我国算力发展评估23 （四）算力发展指数与经济的关系32 四、加速体系化创新进程，促进算力全方位多维度发展34 （一）赋能区域发展，前瞻布局基础设施34 （二）突破核心技术，强化系统技术研发35 （三）深化企业合作，构筑自主产业生态35 （四）优化发展环境，发掘数据要素资源36 （五）应用场景牵引，驱动行业转型升级36 （六）深化国际合作，拓展算力市场蓝海36 附件一：算力指数测算框架38 附件二：数据来源44 图目录 图1全球算力规模及增速5 图22023年全球算力规模与GDP关系9 图32023年全球算力规模分布情况10 图4我国算力规模及增速13 图5我国算力内部结构14 图6我国IT硬件、软件、服务支出规模16 图7我国各行业计算应用分布情况18 图82016-2023年全球和我国算力规模与GDP、数字经济规模关系19 图9先进计算暨算力发展指数3.0.21 图102023年中国部分省份算力发展指数25 图112023年中国部分省份算力规模分指数26 图122023年中国部分省份计算产业分指数28 图132023年中国部分省份计算技术分指数29 图142023年中国部分省份发展环境分指数30 图152023年中国部分省份计算应用分指数31 图16算力发展指数与GDP关系33 表目录 表1先进计算暨算力发展指标体系22 一、先进计算兴起带动全球算力高速发展 当前全球计算技术加速创新，计算硬件、软件、算法、架构之间彼此激荡、同频共振，量子、类脑等新兴计算技术创新跨界交叠、磨砺聚变，以大模型为代表的新兴应用驱动算力需求快速增长。推动先进计算产业高质量发展，对推进新型工业化、构建现代化产业体系意义重大。 （一）先进计算多元发展，计算技术创新活跃 先进计算是计算产业的基础和核心，也是推动新型工业化、构建现代化产业体系的重要力量。当前，人工智能、智能网联汽车等应用对先进计算的需求不断增长。2023年我国算力规模位居全球第二，近5年年均增速近30%。预计未来3年我国算力规模年均增速将达45%，算力需求强劲增长势头有望长期延续。 先进计算呈现多元化创新发展态势。芯片工艺持续升级，计算芯片、异构计算不断突破，计算技术迭代呈现体系化、全链条式创新。从摩尔定律延续看，先进工艺如3nm量产和2nm以下节点的研发推动了晶体管技术的革新，芯粒技术利用高级封装实现不同工艺和类型的芯片立体集成，有效应对设计难度和成本问题。从计算处理器看，通用芯片性能持续提升，面向特定应用场景的高性能、低功耗、定制化的专用算力芯片也在智能驾驶、智能语音、图像识别等领域发挥愈加重要的作用。从计算架构看，单一CPU提供的通用算力在部分特定场景下处理效率不高，“CPU+专用芯片”的异构架构在高性能计算、 人工智能等计算应用场景中正渐趋成为主流计算架构。 智能计算需求带动先进计算各层次突破创新与协同升级。2023年，大模型成为先进计算技术发展的主要目标场景，其对算力需求的提升直接带动基础工艺、硬件、软件、整机等多维度技术创新。基础工艺方面，极紫外光（ExtremeUltra-violet，EUV）光刻机应用持续深入，3nm工艺实现量产，环绕栅极（Gate-All-Around，GAA）晶体管结构正式应用于芯片制造；先进封装技术应用深化，如AMD、苹果等实现了CPU和GPU共封。计算硬件方面，高带宽、大密度存储技术持续突破，HBM3E样片实现交付，带宽高达1.2TB/s；片间高速互联技术持续发展，如英伟达NVLink-C2C技术可实现900GB/s的片间高速互联。计算软件方面，操作系统、编译器、数据库持续优化，以适配多类型计算芯片，提升大模型运行效率。PyTorch 2.0版本新增Transformers自定义内核架构功能，能够更好适配各种计算芯片；英伟达推出TensorRT-LLM大模型加速库，能够提升LLM大模型的运行速率。计算整机方面，基于高速网络的大规模智算集群成为重点演进方向，英伟达、华为等厂商相继推出DGXGH200、Atlas900SuperCluster等多卡互联的超级计算机，并用于大模型训练推理。 前沿计算部分领域进入产业化阶段。存算一体、量子计算、光计算等前沿颠覆计算技术创新活跃，逐渐在部分领域展现出算力优越性，部分技术路线进入产业化阶段。存算一体已在语音降噪、唤 醒、命令词识别等领域实现规模应用，并在AI推理领域具备显著的算力优势。Groq、Cerebras先后发布基于SRAM的存算一体芯片，其大语言模型推理速度较英伟达GPU提高10~20倍。量子计算技术持续演进，并与人工智能技术深度融合。如谷歌、帝国理工大学等在化学模拟中引入量子机器学习算法，从而加速量子化学的科学研究。光计算与经典算力混合，为人工智能、数据中心等场景提供加速能力已成为光计算应用探索方向。 （二）数字产业稳步推进，算力赋能深化发展 算力是数字经济发展的要素之一，不仅加速了信息技术产业的发展，还深刻促进了制造、交通、教育、媒体等传统产业的数字化转型与升级。同时，算力在创新商业模式、优化用户体验方面也展现出了巨大的潜力和价值。 算力是数字产业化的重要组成部分。计算产业的发展助推计算芯片市场稳定增长。据WSTS1统计，2023年全球集成电路市场同比下降8.2%，同期全球计算芯片销售额为1785亿美元，同比增长1.1%，是集成电路细分领域唯一增长的大类。云计算是计算应用的重要场景之一，也是数字产业化的重要领域之一。在算力上云、企业上云以及行业数字化转型的带动下，云原生技术加速发展，据Gartner统计，2023年全球云计算市场规模达5864亿美元，同比增长19.4%，近两年平均增速20%，持续保持高速增长态势。 1WSTS，WorldSemiconductorTradeStatistics，世界半导体贸易统计 计算应用助力产业数字化转型发展。算力正加速向政务、工业、交通、医疗等各行业、各领域渗透。在算力的加持下，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，提高生产力。“智改数转”成为工业制造发展主旋律，算力赋能推动工业制造从传统自动化控制向工业大模型演进。西门子、特斯拉、海尔卡奥斯等公司推出gPROMS、Grok-1、COSMO-GPT等工业大模型，已成功应用于工业指标优化、工业信息生成、工业问答等多个领域。算力对生产方式的改变也进入到金融领域，微软发布面向金融的AI助手CopilotforFinance，通过自动化和智能化的方式处理繁琐的财务数据，减轻财务人员的工作负担。 （三）算力规模持续增长，智算占比超过六成 全球算力规模持续高速稳定增长。随着生成式人工智能的蓬勃发展，全球数据总量与算力规模正保持高速增长态势。据IDC数据，2023年全球数据总产量为129.3ZB，过去五年平均增速超过25%， 预计2024年全球将生成数据159.2ZB，2028将达到384.6ZB，较 2024年翻一番。算力规模方面，经中国信通院测算，2023年全球计算设备算力总规模为1397EFlops，增速达54%，其中基础算力规模 （2FP323）为497EFlops；智能算力规模（4换算为FP32）为875EFlops， 2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）。 3FP32为单精度浮点数，FP16为半精度浮点数，FP64为双精度浮点数。 4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）。 占总算力比例达到63%，较去年增加13个百分点；超算算力规模（5换 算为FP32）为25EFlops。预计未来五年全球算力规模仍将以超过50%