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中国算 力发展 指数白 皮书 中国信息通信研究院 2021 年9 月 No.202110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，新 一轮科技 革命和产 业变革 正 在重塑全 球经济结 构 ，算 力 作为数 字经济 时 代新 的生 产力， 是支 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 。 算力 已成为全 球战略竞 争新焦点 ，是 国民 经济发展 的 重要引擎 ， 全球 各国 的 算力水平 与经 济 发展水平 呈现显著的 正相关 。 2020 年我国 算力在 逆势中加 速发展 ， 呈现出以 下特征 ： 算力规模 持续扩大 ， 算力 结构不 断演 化 。2020 年我国算 力依然 保持蓬勃 发展态 势 ， 规模 达到 135 EFlops ， 同比 增加 48 EFlops ， 在 全球疫情 背景下， 我国算力 依然保持 55% 的高位增长 ， 高 于 全球增 速约 16 个百分点 ， 有效支撑 疫情防 控 和经济社 会发展 。 在 算力结构 上 ，基 础算力 依旧是 主力 ，智能 算力增 长迅 速，占 比已超 过 40% ， 成为算力 快速增 长 的驱动力 。 算力环境 日益优化 ， 应用需 求不断提 升。 一是 ， 持续优 化的网 络环境为 算力发展 提供坚实 支撑， 一 方面 网络 带宽不断 提升 ，2020 年 全国互 联网省 际 出口带宽 增长 11% ， 助推 算力 的 跨区 域调度，另 一方面 5G 覆盖率 不断提升 ，加速 云 边端 算力 的 协同 。 二是，不断 提升的算 力投资 为 算力发展 提供动 力 ， 我国 IT 支出规模达 到 2 万亿 ， 增长 7.3% 。 三是， 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 ， 占整 体 算力近 50% 的份额 ， 电信、 金 融领域 对 算力的 应 用处于行 业领先 水 平。算力助推 经济增 长 ， 各地 加快发 展步 伐 。2020 年我国以 计算机 为代表的 算力产 业 规模达 到 2 万亿 元， 直接带 动经济 总 产出 1.7 万 亿元，间 接带动 经 济总产 出 6.3 万亿 元 ，即在 算力 中 每 投入 1 元， 将带动 34 元经济 产出 。 全国 各 地算 力 发展步 伐加快 ， 京津冀 、 长 三角、粤 港澳大湾 区等 区域 整体 算力 发展处于 领先水平 ，其中， 算 力规模方 面，北上 广及周边 省份地区 表现较为 突出 ， 北 京、广东 、 上海位列 前三， 均 超过 15 EFlops ； 算力环境方 面， 四大 城市群拥 有 较好的网 络支撑、 算力投入 等环境条 件；算力 应用方面 ，东部沿 海 省份消费 及行业 应 用需求较 大，对 算 力增长的 拉动作 用 显著。 加快发展 算力， 是 我国 打造 数字经济 新优势 、 构建“双 循环 ” 新发展格 局 、提升 国家整体 竞争力的 重要保障 。我国高 度重视算 力 发展， 明 确提出布 局全国算 力网络国 家枢纽节 点，启动 实施 “东数 西算 ” 工程， 构建国 家算力网 络体系。 在 需求与政 策的双 重 驱动下， 全国各地 大力推 进 算力 技术 产业、 基础 设施 建设 及算力 应 用的发展 。 本 白皮书 系统研究 我国算力 发展状况 ，结合算 力发展特 点和重点 影 响因素， 建立算力 发展指数 ，全面客 观评价我 国 各省份 算力发展 水 平 ，以促 进 算力 技 术产业、 基础设施 建设 及算 力应用的 发展 ，加 强 我国各地 区 算力 的 协同联动 ， 为全国 及 各省份 算力 发展 政策制定 提 供有力支 撑 。 当然，白 皮书仍 有 诸多不足 ，恳请 各 界批评指 正。目 录 一、 算力内涵和发展 框架. 1 ( 一) 算力内涵 . 1 ( 二) 算力发展框架 . 2 二、 全球算力发展进 入新阶段. 3 ( 一) 算力多样化态势日 益凸显 . 3 ( 二) 算力创新步伐进一 步加快 . 5 ( 三) 算力成为数字经济 新引擎 . 8 ( 四) 算力成为战略竞争 新焦点 . 10 三、 中国算力总体发展态势 . 11 ( 一) 我国算力规模不断 扩大 . 12 ( 二) 算力创新水平大幅 提升 . 14 ( 三) 算力发展环境日益 优化 . 17 ( 四) 算力应用需求不断 释放 . 20 ( 五) 算力发展助推经济 增长 . 23 四、 中国算力发展指数评估 . 24 ( 一) 指标建立依据 . 25 ( 二) 指标体系建立 . 27 ( 三) 我国算力评估 . 29 ( 四) 算力发展指数与经 济的关系 . 34 五、 加快算力高质量发展，支撑构建新发展格局 . 36 附件一：算力指数测算框架 . 38 附件二：数据来源 . 41图 目 录 图 1 算力发展总体框架 . 3 图 2 全球算力规模发展趋势 . 4 图 3 全球算力规模与 GDP 关系 . 9 图 4 全球算力规模分布情况 . 11 图 5 我国算力发展规模及增速 . 13 图 6 我国算力内部结构 . 13 图 7 我国移动通信基站发展情况 . 18 图 8 我国 IT 硬件、软 件、服务支出规模 . 19 图 9 我国各行业算力应用分布情况 . 21 图 10 2015-2020 年移动互联网流量及月 DOU 增长情况 . 22 图 11 我国算力投入对经济总产出的带动作用 . 24 图 12 2020 年中国部分 省份算力发展指数 . 30 图 13 2020 年中国部分 省份算力规模分指数 . 31 图 14 2020 年中国部分 省份算力规模 . 32 图 15 2020 年中国 部分省份算力环境分指数 . 33 图 16 2020 年中国部分 省份算力应用分指数 . 34 图 17 算力发展指数与 GDP 关系 . 35 表 目 录 表 1 中国算力发展指标体系 . 28中国算力发展指数白皮书 1 一、算 力内涵 和发展框 架 ( 一) 算力内涵 从狭义上 看，算力 是设备通 过处理数 据，实现 特定结果 输出的 计算能力 。 2018 年诺贝尔经济 学奖获 得 者 William D. Nordhaus 在 计 算过程 一文 中提 出： “算力 是设备 根 据内部状 态的改 变 ， 每秒 可处 理 的 信 息 数 据 量” 。算 力 实 现 的 核 心 是 CPU 、GPU 、FPGA 、ASIC 等各类计 算芯片， 并由计算 机、服务 器、高性 能计算集 群和各类 智 能终端等 承载，海 量数据处 理和各种 数字化应 用都离不 开算力的 加 工和计算 。算力数 值越大代 表综合计 算能力越 强，常用 的计量单 位 是每秒执 行的浮 点 数运算次 数（Flops ，1 EFlops=1018 Flops ） 。据 测算，1 EFlops 约为 5 台天河 2A 超级计算机， 或者 25 万台 主流 双 路 服务器 ，或者 200 万台主流笔记 本的 算力输出 。 从广义上 看， 算 力 是数字经 济时代 新 生产力， 是支撑 数 字经济 发展的坚 实基础。 数字经济 时代的关 键资源是 数据、算 力和算法 ， 其中数据 是新生产 资料，算 力是新生 产力，算 法是新生 产关系， 构 成数字经 济时代 最 基本的生 产基石 。 现阶段 5G 、云计算 、大数据 、 物联网、 人工智能 等技术的 高速发展 ，推动数 据的爆炸 式增长和 算 法的复杂 程度不断 提高，带 来了对算 力规模、 算力能力 等需求的 快 速提升， 算力的进 步又反向 支撑了应 用的创新 ，从而实 现了技术 的 升级换代 、应用的 创新发展 、产业规 模的不断 壮大和经 济社会的 持 续进步。 随着 5G 商用步 伐 的加快 ， 物与物之 间的连 接 不断深化中国算力发展指数白皮书 2 算力在自 动驾驶、 智慧安防 、智慧城 市等领域 的应用不 断扩大， 边 缘计算以 及雾计 算 的需求日 益增加 ， 算 力范畴和 边界仍 在 不断扩展 。 ( 二) 算力发展框架 结合算力 的内涵和 特点 ，本 白皮书从 算力规模 、算力环 境和算 力应用三 个维度建 立算力发 展的总体 框架。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， 算力环境 是 我国新生 产力发展 的重要条 件，算力 应用反映 了我国新 生产力的 需 求状况。 算力环境 为算力规 模发展提 供坚实支 撑，算力 应用拉动 算 力规模的 增长， 三 者相互促 进、协 同 发展。 现阶段算 力规模重 点包括基 础算力、 智能算力 和超算算 力三部 分 1 ， 分 别提供 基础通 用计算 、 人工 智能计 算和科学 工程计 算， 其中， 基础通用 算力主 要 基于 CPU 芯片的服 务器所提 供的计 算 能力； 智能 算力主要 是基于 GPU 、 FPGA 、 ASIC 等芯片的加 速计算 平 台提供人 工智能训 练和推理 的计算能 力；超算 算力主要 是基于超 级计算机 等 高性能计 算集群所 提供的计 算能力。 算力环境 主要包括 网络环境 和 算力投入 等因素， 持续优化 的网络环 境为算力 发展提供 坚实支撑 ， 大规模算 力投入将 会对算力 增长产生 直接和间 接的推动 作用。算 力 应用主要 包括消费 应用和行 业应用， 消费和行 业应用带 来了对 算力 规模、算 力能力等 需求的快 速提升， 算力的进 步又反向 推动了应 用 1 算力主要考虑集约化规模化算力，个人桌面、终端及边缘等算力未纳入统计。中国算力发展指数白皮书 3 的发展。 算力指数 的测算 框 架如图 1 所示。 来源： 中国 信息 通信 研究 院 图 1 算力发展总体框架 二、全 球算力 发展进入 新阶段 在数字经 济时代， 算力正成 为新生 产 力。 当前 5G 、 物联 网、 云 计算、大 数据、人 工智能、 区块链等 新一代信 息通信技 术加速创 新 突破，数 据的爆炸 式增长 、 算法复杂 度的不断 提高，以 及应用场 景 的日益多 元化，推 动算力需 求和要求 不断升级 ，全球算 力多样化 态 势日益凸 显，创新 步伐进一 步加快， 算力成为 数字经济 新引擎和 战 略竞争新 焦点。 ( 一) 算 力 多 样 化 态 势日 益 凸 显 全 球 算 力 规 模 不 断 增 大 。2020 年 全 球 算 力 总 规 模 达 到 429中国算力发展指数白皮书 4 EFlops ， 增速达 到 39% ， 其中基础 算力规 模 （FP32 2 ）为 313 EFlops 3 ， 智能算力 规模（ 换 算为 FP32 ）为 107 EFlops 4 ，超算算 力 规模（换 算为 FP32 ）为 9 EFlops 5 。伴随 万物 感 知、万物 互联以 及 万物智能 时代的开 启，据 IDC 预测数据，2025 年全球物 联网设 备 数将超过 400 亿台， 产生数 据 量接近 80 ZB ， 且超过一半的 数据需 要 依赖终端 或者边缘 的计算能 力进行处 理。预估 未来五年 全球算力 规模将以 超 过 50% 的速度 增长 ，到 2025 年整体规 模将达到 3300 EFlops 。 来源： 中国 信息 通信 研究 院 、IDC 、Gartner 、TOP500 图 2 全球算力规模发展趋势 2 FP32 为单精度浮点数 ， 采用 32 位二进制来表达一个数字， 常用于多媒体和图形处理计算。FP16 为半精度浮点数 ，采用 16 位二 进制来表达一个数字，适合在深度学习中应用。FP64 为双精 度浮点数 ， 采用 64 位二进制来表达一个数 字，常用于处理的数字范围大而且需要精确计算的科学计算。 3 基础算力规模按照全球存量服务器算力总量估算。根据资产配置标准，服务器使用年限一般为 6 年， 存量服务器总量近似为全球近 6 年服务器出货 规模， 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 ） 。 4 智能算力规模按照全球存量 AI 加速器芯片算力总量估算。存量加速器芯片 总量采用全球近 6 年 加速器芯片 出货规模进行测算， 全球智能算力= 近六年 （年加速器 芯片出货规模* 当年加速器芯片 平均算力 ） 。 5 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。 0% 15% 30% 45% 0 150 300 450 2016 2017 2018 2019 2020 EFlops中国算力发展指数白皮书 5 需求多元 化加速算 力多样化 升级。基 础算力方 面， 云计 算 仍保 持高速增 长 和快 速 创新态势 ， 根据 IDC 数据， 2020 年全球云计算 市 场规模达 3120 亿美元， 同 比增长 24.1% 。 在行 业数字化 转 型的带动 下，云原 生 技术持 续落地， 带动技术 架构、应 用效能、 云化效益 的 全方位提 升，深化 云数融合 、云智融 合、高性 能计算的 发展，推 动 云数智高 质量融合 发展。 智 能算力方 面， 从主 动学习到 迁移学习 再 到强化学 习，需要 的能力也 由“人机 交互能力 、数据整 合能力” 到 “大算力 预训练、 数据处理 能力”再 到“信息 采集能力 、概率计 算 能力”不 断演化。 人工智能 的模型 训 练和推理 部署对算 力的需求 也 存在显著 差异，训 练阶段的 计算精度 直接影响 最终模型 的准确度 ， 更强调 32 位或 16 位的浮点 运算能 力 ， 推理阶段 结合 云 到端各类设 备的部署 需求 ， 可采 用 16 位或 8 位定点 的低精度 运算提 升 运算效率 。 超算算力 方面， 十 年千倍定 律依然 在 持续， 目 前 P 级超 算已成为 世 界超级计 算机 TOP500 的准入门 槛，2021 年 6 月日本超 级计 算机富 岳 Fugaku 以每 秒 53.7 亿亿次浮点 计算 的峰值速 度 蝉联 榜 首，开启 了 E 级计算（每 秒 百亿亿次 ）进入 应 用的前奏 。 ( 二) 算 力 创 新 步 伐 进一 步 加 快 当前，摩 尔定律发 展逐渐趋 缓，以先 进工艺升 级为主导 的经典 计算体系 演进模式 遭遇“功 耗墙 ” 、 “ 内存墙” 瓶颈挑战 。为应对 万 物智能时 代海量应 用创新和 重大技术 革新对算 力供给的 百千倍递 加 需求，深 度挖掘计 算器件、 计算芯片 、计算系 统、计算 理论等层 面中国算力发展指数白皮书 6 技术增长 潜力，探 索更多维 度、更多 要素的协 同创新成 为支撑算 力 进一步升 级的重 要 举措。 从 计 算 芯 片 看 ， 摩 尔 定 律 仍 在 延 续 。 依 赖 鳍 式 场 效 应 晶 体 管 （FinFET ） 尺 寸 微 缩 、 设 计 与 工 艺 协 同 优 化 技 术 以 及 围 栅 纳 米 片 、 高数值孔 径极紫 外 光刻机、 钌 互联等 新 结构、 新设 备、 新材 料加持， 集成电路 制造工 艺 后续升级 路径逐 渐 清晰，台 积电 3 纳米制程工艺 预计在 2022 年下半 年实现量 产应用 ； 堆叠叉片 （Forksheet ） 、互补 场效应晶 体管 （CFET ） 等方向 探索有望 进一步 将 先进工 艺 延伸至 2 纳米制程 节点 。 此 外， 借 助芯粒 （Chiplet）、 2.5D 和 3D 高级封装等 技术实现 不同工艺 制程、不 同类型芯 片间的 异质 集成， 成为实现 计 算芯片及 系统整 体 效能延续 摩尔定 律 升级的重 要方向 。 从计算架 构看，多 级异构计 算逐步普 及。 异构 计算通过 多种计 算单元混 合协作模 式提升计 算并行度 和效率， 在移动互 联网、人 工 智能、云 计算等各 类典型应 用中占比 显著提高 ，并主要 通过芯片 内 异构、节 点内异构 两种模式 实现性能 、功耗与 成本间的 最佳均衡 。 芯片内异 构典型 代 表为 SoC 芯片 ， 以 苹果 M1 芯片为 例 ， 通过 集成 CPU 、GPU 、 神经处 理单元 （NPU ） 等 内核实现 超越 通用 CPU 的性 能； 国内自 研的申 威超算 CPU 芯片也 引入主从 众核架 构 ， 提升计算 灵活性。 节点内 异 构多通 过 CPU 与各 类加速器 协同提 升 整体能力 ， 如 人 工 智 能 多 选 用 的 CPU+GPU 芯 片 异 构 、 云 计 算 多 采 用 的 CPU+GPU+DPU 模式等。 此外 ， 英特 尔、 英 伟达 、 华为 等企业均 在中国算力发展指数白皮书 7 推进对多 样芯片 异 构加速库 、 编译 器、 工具链等 异构软 件 生态布局 ， 如英特尔 发布异 构 框架 OneAPI ， 实现 跨 xPU 的全栈异 构 能力建设 ， 抢占异构 发展机 遇 。 从计算系 统看，算 力基础设 施建设不 断提速。 超级计算 方面， 全球超算 将迈入 E 级计算时 代， 并正 在探索基 于云服 务 模式提供 灵 活、弹性 的计算支 持，未来 云超算将 作为超算 的重要补 充，满足 急 剧增长的 高性能 计 算需求。 智 能计算 中心方面， AI 计算 需求的高速 增长，进 一步催 生 公共 AI 智能计算 中心的快 速发展 ， 全球主要 国 家和领先 企业 普遍 开展人工 智能算力 平台建设 ，提供人 工智能应 用 所需算力 服务、数 据服务和 算法服务 ，高效支 撑数据开 放共享、 智 能生态建 设、产业 创新聚集 。 数据中 心方面， 伴随智能 手机、家 庭 网关、智 能汽车等 泛终端计 算平台逐 步普及， 云原生技 术持续下 沉 和边缘算 力的协调 补充，不 同层级、 不同体系 的算力快 速增长和 生 态打通， 将加速云 边端 算力 的深度融 合和协调 发展 ，广 泛支撑云手 机、VR 媒体、 政企 移动办公 、在线 教 育等丰富 应用场 景 。 从计算理 论看， 前沿 颠覆体系 成为未 来 探索的重 要方向 。 一 是， 存算一体 架构实 现 在存储单 元中进 行 计算， 突 破 “冯 诺依曼” 体 系 “存” “算 ” 分离的 局限， 适合处 理 大 数据、 人工智 能等 海量数据 分 析处理任 务，行业 内已有诸 多产业化 探索。 二 是， 量子 计算在高 斯 玻色取样 等特殊问 题 求解中 实现远超 经典计算 机的算力 ，算力接 近中国算力发展指数白皮书 8 超算算力 百亿倍 6 ， 目前研究 尝试在 组 合优化 、 化学 模拟 、 药物 研发 等场景中 应用。 三 是， 光子 计算利用 光学器件 折射、干 涉等特性 进 行运算， 对 于信号 处 理、 人工智 能 等复 杂 特定任务 更具优 势 。 四是， 类脑计算 芯片模拟 人脑神经 元工作原 理，基于 脉冲神经 网络算法 ， 适合应用 于物联 网 等低功耗 场景。 ( 三) 算 力 成 为 数 字 经济 新 引 擎 算力直接 带动数字 产业化的 发展。 电 子信息制 造业、电 信业、 软件和数 字技术服 务业、互 联网行业 等数字核 心产业的 发展与算 力 的发展息 息相关。 互联网是 算力投资 最大的行 业，亚马 逊、微软 和 谷歌 通常 每个季 度 投入的资 本支出 总 额超过 250 亿美元 ， 其中大 部 分用于 布 局超大规 模数据中 心，使互 联网行业 成为先进 生产力的 代 表， 不仅 支撑互联 网技术加 速向支付 、电商、 服务、内 容等领域 渗 透，更赋 予其对其 他产业 链 、价值链 进行改造 的潜能， 进一步推 动 其由消费 互联网 向 产业互联 网的进 化 。 算力助推 产业数字 化转型升 级。 由算 力投入带 来的数字 化智能 技术不仅 为制造、 交通、零 售等多个 行业带来 产业产值 增长，还 带 来了 生产 效率提升 、商业模 式创新、 用户体验 优化等延 伸性效益 ， 对经济增 长的拉动 作用愈加 凸显。以 制造业领 域为例， 以云计算 、 边缘计算 、智能计 算 为代表 的算力 投 入和规模 应用可以 显著提升 生 6 我国 76 个光子的量子计算原 型机“ 九章” 求解高斯玻色取样 数学算法需 200 秒， 如果用目前 世界最 快超级计算机日本“ 富岳” 求解 要用 6 亿年，算力接近超算算 力百亿倍 。中国算力发展指数白皮书 9 产效率， 从需求洞 察、研发 、采购、 生产、营 销和售后 等产业链 环 节对制造 业进行 赋 能 和重构 ，打造 高 度协同的 智能制 造 生态体系 。 算力的发 展强力推 动数字经 济持续向 前、 赋能 国民经济 发展。 工业时代 ，电力 是 评估 GDP 增长量的 重要指标 。 在数 字 经济时代 ， 算力是 ICT 产业发 展关键要 素， 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 发挥着 重 要的作用 ， 成为 新的 核心指标 。 算力对数 字经济和 GDP 的发展有显著 的带动作 用， 在 2016-2020 年 期间，全 球算力 规 模平均每 年增 长 30% ，数字经济 规模 和 GDP 每 年分别增长 5% 和 2.4% 。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。 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 前四名 排 名一致 。 来源： 中国 信息 通信 研究 院、IDC 、Gartner 、 世界 银行 图 3 全球算力规模与 GDP 关系中国算力发展指数白皮书 10 ( 四) 算 力 成 为 战 略 竞争 新 焦 点 全球主要 国家和地 区纷纷加 快算力布 局。 算力 现 已成为 各国 核 心竞争力 体现 ，全 球主要国 家和地区 纷纷加快 战略布局 力度。美 国 2020 年 11 月发布 引领未来 先进计 算 生态系统 战略计 划 ， 将先 进 计算生态 系统作为 国家战略 性资产， 以确保美 国在科学 和工程方 面 的领导力 、 经济 竞争 力和国家 安全。 日 本 2019 年启动新一 代国产超 级计算机 计划， 投入 约 1300 亿日元打造 全球速度 最快的 超 级计算机 。 欧盟聚焦 数字主 权 布局超算 和量子 计 算， 于 2018 年提出 “欧洲高 性 能计算共 同计划 ” ， 2020 年 9 月拟投 资 80 亿欧元支持以 百亿 亿次计 算和量子 计算为主 的新一代 超级计算 技术和系 统的研究 和创新， 维 持并提升 欧洲在 超 算和量子 计算领 域 的领先水 平。 全球算力 竞争愈 加 白热化。 算力水 平方 面， 美国 、 中国 、 欧 洲、 日本在全 球算力 规 模中的份 额分别为 36% 、31% 、11% 和 6% ， 其中 全球基础 算力竞 争 以美国和 中国为 第 一梯队， 且中美 差距 不断缩小 ， 美国在全 球基础 算 力排名第 一， 其份 额达 43% ， 中国以 26% 份额排 名 第二； 智能算力 方面，中 国、美国 处于领先 ，算力 全 球占比分 别 为 52% 和 19% ； 美 国 、 日 本、 中国在 超级计算 综合性 能 指标方面 优 势明显， 总算力 份 额分别为 31% 、23% 、20% ，中国在 绝 对数量方 面处于领 先。 全球 化方面， 美国、日 本和欧洲 信息化起 步早，相 关 企业发展 历史长， 对国际市 场的开拓 也早于中 国，国际 市场的占 有 率明显高 于中国， 中国算力 在国际市 场的竞争 力明显弱 于在国内 市中国算力发展指数白皮书 11 场的竞争 力。例如 ，虽然阿 里云在全 球云市场 占有率排 名第四， 但 其绝大多 数业务集 中在中国 国内市场 ，与亚马 逊、微软 、谷歌等 美 国企业还 有很大差 距。与此 同时，大 国博弈加 剧致使全 球化产业 链 供应链格 局面临重 塑重构， 将给算力 技术创新 及产业生 态带来新 挑 战。我国 算力相关 设备制造 能力不断 提高，但 要彻底赶 超美国等 领 先国家仍 然面临 严 峻的“卡 脖子” 问 题。 来源： 中国 信息 通信 研究 院 、IDC 、Gartner 、TOP500 图 4 全球算力规模分布情况 三、 中 国算力 总体发展 态势 2020 年，新冠 肺炎 疫情席卷 全球， 对 我国经济 造成较 大 冲击， 叠加周期 性经济波 动，对经 济增长 带 来较大下 行压力。 在复杂严 峻 的发展环 境下，我 国算力规 模依然保 持强劲增 长，算力 结构持续 演 化，创新 水平、发 展环境和 应用需求 不断提升 ，成为支 撑我国经 济 高质量发 展的坚 实 基础。 36% 31% 11% 6% 16中国算力发展指数白皮书 12 ( 一) 我 国 算 力 规 模 不断 扩 大 我国算力 规模持 续 扩大。 “十三 五” 期 间我国算 力规模 整 体保持 高速增长 态势， 包 括数据中 心机架 数 、 通用服务 器数量 、AI 服务器 数量、超 级计算机 数量均保 持快速增 长，在技 术加速创 新迭代下 ， 单台算力 设备的 性 能也不断 提升。2020 年我国算力总 规模 达到 135 EFlops ，全球 占比 约为 31% ，保持 55% 的高位增长 ，高 于全球增 速 约 16 个百分 点。 其 中， 基础 算力规 模 （FP32 ） 达到 77 EFlops 7 ，全 球占比约 为 26% ；智能算力 规模（ 换 算为 FP32 ）达到 56 EFlops 8 ， 全球占比 约为 52% ； 超算 算力规模 （换 算为 FP32 ） 约为 2 EFlops 9 ， 全球占比 约为 20% 。 算力结构 持续演化 。 与全球 发展情况 相似，近 年来我国 算力结 构随着应用需求的变化不断演化，其中基础算力占算力的比重由 2016 年的 95% 下降 至 2020 年的 57% ，智能算力 占算力 的 比重则由 2016 年的 3% 提升 至 2020 年 41% 。 在 互联网及 云计算 需 求不断提 升 的同时， 以 智能 计算 中心 为代 表的人 工 智能算力 基础 设施发展迅猛 ， 数据中心 智能化 升 级步伐不 断提速 ， 计 算智能化 升级已 是 大势所趋 。 7 基础算力规模按照我国存量服务器算力总量测算。根据资产配置标准，服务器使用年限一般为 6 年， 存量服务器总量近似为我国近 6 年服务器出货规模 ， 我 国基础算力= 近六年 （年服务器 出货规模* 当年 服务器平均算力） 。 8 智能算力规模按照我国存量 AI 加速器芯片算力总量测算。存量加速器芯片总量采用我国近 6 年 加速器芯片出货规模进行测算 ， 我国智能算力= 近六年 （年加速器芯片出货规模* 当年加速器芯 片平均算力）。 9 超算算力规模主要是基于全球超级计算机 TOP500 、 中国高性 能计算机性能 Top100 数据， 并 参考 超算生产商的相关数据。中国算力发展指数白皮书 13 我 国超 算算力 在整体 算力 中的占 比较为 稳定 ，约 为 2% ， 主要 用于 科学计算 与工程 计 算等领域 。 来源： 中国 信息 通信 研究 院 、IDC 、Gartner 、TOP500 、HPC TOP100 图 5 我国算力发展规模及增速 来源： 中国 信息 通信 研究 院 图 6 我国 算力内部结构 0% 20% 40% 60% 80% 0 40 80 120 160 2016 2017 2018 2019 2020 0% 20% 40% 60% 80% 100% 2016 2017 2018 2019 2020中国算力发展指数白皮书 14 ( 二) 算 力 创 新 水 平 大幅 提 升 1. 基 础通用 算力稳步 发展 基础算力支撑能力大幅增强。以数据中心为代表的算力基础设 施随着经 济社会信 息化得到 巨大发展 ，与通信 网络 基础 设施一道 构 成新一代 信息基础 设施，为 推进网络 强国、数 字中国建 设贡献了 重 要力量， 为工业 生 产、社会 民生等 多 领域提供 重要支 撑 。近 5 年我 国基础算 力快速 增 长， 基础算力 从 2015 年的 23 EFlops 增 长到 2020 年的 77 EFlops ，年 增幅均超 过 27% 。2020 年，我 国基础 算力在疫 情防控中 发挥了重 要支撑作 用，通过 开发数字 平台和 应 用、开放 基 础算力设 施和算法 等多种方 式，保障 了疫情溯 源、病毒 研究、病 情 诊疗、疫 苗研发、 药物筛选 等工作的 稳步开展 ， 衍生出 大数据行 程 卡等多项 新型应用 ，助力我 国社会生 产各项工 作的全面 恢复。截 至 2021 年 8 月， “ 通 信行程卡 ” 累计 提 供查询服 务超 120 亿次， 日 查 询量稳定在 2500 万次以上， 基础 算力 需求达到 50 PFlops 以上， 成 为各地做 好疫情 防 控的重要 手段。 基础算力产业生态日趋完善。整机方面，在全球服务器市场规 模稳步增 长的背景 下，国产 服务器快 速成长为 我国基础 算力的主 力 军，浪潮 、华为、 新华三、 联想等国 内服务器 厂商位居 我国服务 器 市场前五 名， 整体市 场份额达到 74% 。 CPU 方面， 以 英特尔 和 AMD 为主导的 X86 架构 CPU 持续主导 服务 器市场， 占比超 过 96% ；我 国华为鲲 鹏、 飞 腾、 海光等 CPU 芯片目 前已实现 规模应 用 ， 综合性中国算力发展指数白皮书 15 能达到行 业中高 端 水平， 产 业生态 逐 步完善。 操作系 统 方面，Linux 具备开源 、稳定性 高、安全 自由等特 点，在服 务器市场 占据主导 地 位， 市场份 额达 70% ； 我国基于 Linux 开 发的统信、 麒麟操 作 系统， 以党政军 领域为 入 口，逐步 向金融 、 电信、医 疗等行 业 渗透。 2. 智 能计算 快速兴起 智能计算 中心是 人 工智能算 力发展 的 重要方向 。 过去 10 年中， 用于人工 智能的 训 练模型的 计算资 源 激增， AI 训练的计 算复杂度 每 年猛增 10 倍 ，人 工 智能计算 已成为 主 流 的计算 形态，2020 年中国 总算力规 模中智 能 算力占比 达到 41% ，预计 到 2023 年智能算力 的 占比将提 升至 70% 。 AI 复杂模型 、 复 杂场景的 计算需 求 进一步催 生 面向 AI 的算力基 础设施的 需求， 目 前智能计 算中心 是 发展重点 。 智能计算 中心主要 是指基于 最新人工 智能理论 ，采用先 进的人工 智 能芯片， 针对人工 智能多样 场景的海 量数据处 理、智能 算法加速 、 高速训练 推理等计 算需求， 提供共性 的算力、 算数、算 法服务的 新 型算力基 础设施， 正受到政 府、企业 和研究机 构的广泛 关注。2020 年 4 月，国 家发改 委首次将 智能计 算 中心纳入 算力基 础 设施范畴 ， 并提出在 全 国布局 10 个左右区域级 数据 中心集群 和智能 计 算中心 。 智能计算 呈现多 路 径发展趋 势。 一是 ，GPU 在 智能计算中 心中 占据主导 地位。2020 年英伟达 GPU 芯片占据国 内人工 智 能服务器 约 95% 的市场 份额 ， 国内 也涌现 天数 智芯、 沐曦 、 壁仞 、 摩尔 线程 等 GPU 初创企业， 如天数智 芯于 2021 年 3 月发布 7 纳米制程云端中国算力发展指数白皮书 16 训练通用 GPU 芯片 BI ， 提供每秒 147 万亿次计 算能力 （FP16 ） ， 可 完成上百 路摄像 头 视频通道 的人工 智 能处理。 二 是， ASIC 等其他非 GPU 加速芯片将在 各个行业 和领域 被 越来越多 的采用， 以 满足差异 化场景的 性能、 功耗 与成本需 求。 燧 原科 技于 2021 年 7 月推出第二 代人工智 能训练 芯 片云燧 T20 ， 单精度 张量算力 达到 160TFlops；寒 武纪已形 成云端 训 练芯片思 元 290 、推理芯片 思元 270 和用于边 缘 计算的思元 220 芯 片的完整 产品线 布 局。 国内多地 加快投入 智算计算 中心布局 。 上海、 广州、济 南、武 汉和深圳 等人工智 能产业集 聚区多通 过联合华 为、商汤 、浪潮等 人 工智能头 部企业， 采用政企 合作建设 运营的模 式推进实 施。华为 与 深圳、武 汉等地方 政府合作 推进智能 计算中心 落地，与 深圳鹏城 实 验室合作 的鹏城 云 脑二期在 2020 年 10 月实现业务上 线， 可提供 1E 级人工智 能算力 ， 目前排名 世界人 工 智能算力 500 排行榜首位； 武 汉人工智 能计算 中 心项目规 划百 P 级 算力规模 ， 预 期将 于 2021 年 具 备业务上 线条件。 商汤科技 上海新一 代人工智 能计算与 赋能平台 项 目也预期在 2021 年运行，平 台能同 时 满足 4 个超大规模 城市使用 ， 提供 850 万路视 频 接入能力 。 3. 高 性能计 算加快发 展 我国在超 级计算机 领域取得 长足进展 。 从算力 服务看， 国家超 级计算服 务网格已 接入天津 、广州、 深圳、长 沙、济南 、无锡、 郑 州和昆山 8 个国家 超算中心 ，各地 方 、各行业 、各高 校 也在推进 建中国算力发展指数白皮书 17 设高水平 超算中心 ， 目前累 计 服务用 户超两万 ，支持两 千余项国 家 各类科学 计算和 重 要工程项 目研究 。 从算力能 力看 ， 截 止 2021 年 6 月的全球 TOP500 超算排行 榜中， 我 国超算数 量世界 第 一，占比 份 额接近 40% ， 超算 规模位列 美日之 后 的第三位， 榜单前 十中占据 两 席， “ 神威 太湖之 光” 、 “天 河 2A ”分 别名列第 四和第 七 。从市场 供给看， 国内超 算 制造商市 场份额 遥 遥领先， 在全球 TOP500 超算 排行榜中， 联想、 浪潮、 曙光 分别交 付 184 台、57 台、39 台， 分别 排名全球 第一、 二 和四位， 累计份 额 达到 56% 。 国内 E 级超算系 统 研制工作 稳步推 进 。 目前 ， 由江 南计 算技术 研究所、 国防科大 和中科曙 光分别主 导研制的 神威、天 河、曙光 三 台 E 级超算系统 齐 头并进 ， 核心 软硬 件设备将 实现中 国 制造。 从相 关的 E 级超算的原 型机 配置 看， 神威系 统选用国 产申威 众 核处理器 、 Mellanox 无限带宽 互联架构 和自研 网 络芯片组 ， 散热 系 统为液冷 模 式； 天 河系统 集成飞 腾 ARM 架构 FT-2000 芯片和 128 核 DSP 芯片， 选用 400GB/s 的光 电集成高 速互联 架 构， 选用 水风冷 混 合靶向式 散 热技术； 曙光系 统 采用海光 X86 处理 器与自研 DCU 加速器的异构 计算架构 ， 搭 载每秒 200GB 带宽的 6D-Torus 高维层次化 网 络系统， 采用全浸 式相变 冷 却技术实 现极低的 PUE 。 ( 三) 算 力 发 展 环 境 日益 优 化 持续优化 的网络环 境为算力 发展提供 坚实支撑 。