算力时代到来，改变世界的新力量
从茹毛饮血的原始社会到万物智联的智能社会，伴随着技术的发展和人类对美好生活的需求，生产力得到了飞速的发展。众所周知，生产力由劳动资料、劳动对象和劳动者组成，其中人是最活跃的生产力要素，技术是推动生产力变革的最关键要素。技术能够丰富生产资料的来源和利用方式，创造和改良生产工具使其对生产资料进行有效地加工利用，提高劳动者发现生产资料价值和利用生产工具的技能。人类社会生产力的发展过程其实是从简单的以人力为核心向以技术为核心的演进过程。具体来看，人类生产力发展历经人力、畜力、动力等时代演进，当前已进入算力时代，算力成为核心生产力。
人类历史上的每一次重大变革，都伴随着象限级的技术突破。批量种植技术的发明，使人类进入农业时代；蒸汽机和热武器的发明，使人类进入工业和大航海时代；计算机、互联网的发明，使人类进入信息时代。信息时代和算力密不可分，由计算、存储、时延三要素表征的算力设施正推动人类通信水平向更高层级迈进。在中国电信总经理李正茂等著的《云网融合：算力时代的数字信息基础设施》一书中，总结了算力推动社会、生活、科研范式发生的前所未有的巨变。
算力赋能，工业制造智能升级
1765 年珍妮纺纱机的出现揭开了工业革命的序幕，正式开启了机械化代替手工劳作的新时代，20 年后瓦特发明圆周式蒸汽机，推动了机器的普及和发展，工厂成为工业化生产的重要组织形式；到了19世纪，电力的发明标志着第二次工业革命的到来，传统工业行业裂变出航空、汽车、石油、电器等新兴市场，工业面貌焕然一新；进入20世纪后，以第一台电子计算机的问世为开端，第三次工业革命悄然到来，智能手机、无人机、芯片纷纷登台亮相，人类信息化水平大大提升。2013 年，德国在汉诺威工业博览会上提出“工业4.0”计划，被视为第四次工业革命的标志性事件。
第四次工业革命是以人工智能、大数据、云计算、物联网为代表的数字技术驱动的生产方式的变革，从而实现工厂之间、工厂与用户之间的智能化连接，使生产方式从标准化转向网络化、信息化、定制化。
说到第四次工业革命，就不得不提智能制造，智能制造是制造业价值链的信息化和创新，是工业技术和信息化的深度融合，包括产品开发、应用装备、生产产线的智能化。围绕智能制造，衍生出了智能工厂、智能管理、智能决策、智慧物流等新兴领域。而网络和算力的广泛应用，是实现智能制造的关键保障。
在工业制造领域，工厂可以通过安装温度、湿度等感应设备来对生产环境进行监测，一旦出现异常就会发出告警，并对环境进行调节。在生产环节中，工业智能制造可以通过摄像头对设备状态、生产线状态、产品状态、质量追溯、生产调度、物料等全生产过程进行实时监控，以及时发现每个环节发生的故障，并记录存储用于后续的分析改进。
西门子中央研究院曾在慕尼黑展示过双臂机器人的一部分，其借助人工智能的高度自动化技术，无须编程即可自主分工协作，用于产品制造。对于这种机器人的引入，人类工程师只需要通过网络远程指导，重复而精细的工作可以由智能机器人自动计算完成，降低误差出现的概率，减轻人工操作的工作量。
随着产业的发展，各种联网设备越来越多，摄像头、传感器、智能机器人等将在工业制造中大量使用，承载着生产价值的海量数据作为数字化进程的衍生品，正源源不断地流向散落在各地的计算节点。在算法、算力、存储和网络的加持下，制造业的数据处理系统将会变得越来越聪明。
算力 人工智能，提升天气预报效率
最初的天气预报是一门玄学，纯粹依靠人们的生活经验来判断。一些流传至今的谚语也能反映出早期人们对于天气的关注，比如“朝霞不出门，晚霞行千里”、“满天乱云飞，雨雪下不停”。天气图的诞生预示着现代天气预报拉开帷幕。同时，电报的出现让各气象站的观测资料可以迅速传递和集中，使绘制实时天气预报成为可能。天气图更擅长预报短期天气，面临中长期的天气预报，这种方式也束手无策。而随后数值天气预报的降临则解决了这一问题。
数值天气预报是指根据大气实际情况，在一定的初值和边值条件下，通过大型计算机作数值计算，求解描写天气演变过程的流体力学和热力学的方程组，预测未来一定时段的大气运动状态和天气现象的方法。
关于天气方程组的求解并不是一件容易的事。英国数学家里查逊在《利用数值方法做天气预报》一书里，写到了他的计算过程。里查逊在1916年到1918年间第一次尝试进行数值预报，期间他组织了大量人力借助手摇计算机耗时12 个月才完成。由此他得出，如果一个人昼夜不停地计算，需要花费6.4万天；即便让6.4万人并行运算，也需要一整天的时间才能估测出未来24小时的天气情况。
由于数值预报需要处理大量观测数据，必须依靠算力极高的设备才能完成。电子计算机的诞生完美解决了这个问题，并且随着算力水平的提升，数值预报时效每10年增加1天。至今，数值预报已成为主流预报模式。
同时，气象观测需求和观测设备的升级，当前的观测范围从地面扩展到几千米的高空，观测要素也从温度、湿度、风速、气压等向更复杂的物理量扩展，同时，由于城市化的演进、工业的转型，大气中一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫等气体浓度也被纳入监测范围。这些都离不开算力设备的升级。
实际上，全球主要气象机构高性能计算机升级换代的新闻也时常见诸报端。2020年初，英国宣布将在未来十年内耗资12亿英镑打造天气预报专用超级计算机，加快天气预报的速度；同年，美国国家海洋和大气管理局宣布采购两台拥有12PFLOPS 峰值算力的高性能计算机，专门用于气象分析预报；在我国，也有多个超算中心与当地气象部门合作，为人们提供精细化的气象预测服务。
随着生活水平的提高，人们对天气预报的时空精度提出更高的要求，气象行业的数据量呈现大规模增长的趋势，如何在气象预报中引入人工智能、如何运用人工智能技术提高预报精度成为全球热议的话题。
有研究表明，依靠人工智能的天气预报模式，可以显著提高对台风、雷暴和飓风等灾难性事件的预测水平。日本的研究小组基于20 年以来的实验数据绘制了105 万张低气压云图，再经过人工智能的深度卷积神经网络处理，得到全球云系统分辨率模型，通过这个模型可以提前一周识别出夏季西北太平洋热带低气压的发生。在我国，也有一些关于利用人工智能实现分钟级、街道级的天气预报应用。
随着技术的成熟和算力的提升，未来必将产生更多应用场景和更多气象服务产品，给行业带来更多新机会，为人们的生产和生活提供更有价值的信息。
算力改变科研范式
科学研究在不同的时代有不同的范式，打破旧有的范式框架，就是范式革命。2007 年，计算机科学家吉姆·格雷在演讲中提到科学研究的四个范式，即以描述自然现象为主的第一范式、针对关键变量进行演算的第二范式、通过计算机验证预判的第三范式，和依靠计算机分析得到结论的第四范式。也有人将第四范式称为基于大数据的科学研究，它的到来预示着我们习以为常的“结论先行-仿真验证”的研究方法被重新构建，高性能算力在科研中的重要性更加突出。
同样需要计算机参与科研过程，第三范式强调理论先行，也就是先提出可能的结论，再通过算法、数据、仿真来佐证假设的合理性；而第四范式注重数据先行，基于已有的大量数据，再通过高性能计算机经过复杂的计算过程，得到以前未知的结论，是完全基于数据的科研模式。如果说第三范式里人脑是主角，那么第四范式中电脑和数据就占了主要地位。
第四范式颠覆千百年来人们的思维惯例。人脑更喜欢分析事物的因果联系，由某种现象联想到背后的原因；而电脑对因果逻辑并不擅长，却在相关性探索上更胜一筹。维克托·迈尔•舍恩伯格在《大数据时代》一书中提到，大数据时代最大的转变，就是放弃对因果关系的渴求，取而代之关注相关关系。
第四范式在许多领域催生了一系列革命性成果。
中微子是大自然中广泛分布的一种基本粒子，能穿过人体、墙壁、山川湖泊、恒星，难以捕捉探测，被称为幽灵粒子。然而，科学家从预言中微子的存在到发现它，就用了二十多年的时间。常规物理实验和宇宙探测手段都无法对中微子进行观测研究。得益于超算的建立，2015 年，我国科学家运用天河二号超算系统，完成了30万亿粒子数的宇宙中微子和暗物质数值模拟，揭示了宇宙大爆炸1600 年以来约137亿年的漫长演化过程，帮助人类打开探索宇宙射线起源的大门。
2020年2月，麻省理工学院在顶尖学术期刊《细胞》刊登了一篇突破性的研究成果，宣称利用人工智能技术发现了一种新型抗生素，可能是目前最强大的抗生素之一；谷歌旗下 DeepMind 团队开发的 AlphaFold 系统，可以基于大量基因组数据来预测蛋白质三维结构，为生物医药的研发提供重要依据；2019 年发布的黑洞图像，是由超级计算机历时两年的数据校准分析后得以和公众见面，成功印证了爱因斯坦广义相对论。
我们看到，科学研究第四范式，借助计算机性能日渐完善的发展趋势，掀起了一场科学方法与信息技术交汇融合的革命。科学工作者可以很方便地从自然到社会、从微观到宏观获得海量观察和实验数据，当这些数据可自由流动、可智能处理、可整合关联，当对数据的分析处理手段像水电一样随取随用、按需供给的时候，知识的发现和传播就变得更加频繁且富有意义。
算力与元宇宙
2021 年 10 月，Facebook 首席执行官扎克伯格在Facebook Connect大会上宣布将公司更名为 Meta，取自于元宇宙的英文单词 Metaverse。消息一出，就引起产业各界极大关注。
从Metaverse的字面意义看，Metaverse = Meta verse。其中，Meta对应的是元宇宙的“元”，这个英文前缀的本意是“超越”、“变化”；verse 则取自于universe，表示“宇宙”、“物理世界”。Metaverse 可以理解为是超越宇宙的宇宙，是现实世界之上的宇宙。元宇宙的具体定义众说纷纭，比较有代表性的一个定义是：通过虚拟增强的物理现实，呈现收敛性和物理持久性特征的，基于未来互联网的，具有连接感知和共享特征的3D虚拟空间。
元宇宙吸纳了信息革命（5G/6G)、互联网革命（web3.0）、人工智能革命，以及 VR、AR、MR，特别是包含游戏引擎在内的虚拟现实技术革命的成果，向人类展现出构建与传统物理世界平行的全息数字世界的可能性；引发了信息科学、量子科学、数学和生命科学的互动，改变了科学范式；推动了传统的哲学、社会学，甚至人文科学体系的突破；融合了区块链技术，以及 NFT 等数字金融成果，丰富了数字经济转型模式。
因此，元宇宙的支撑技术可以说是集数字技术之大成，如果将元宇宙比作人类的话，那么物联网技术、显示交互技术、三维建模技术、实时渲染技术是外在的表现技术，人工智能技术、区块链技术以及网络和运算技术则是在内部支撑元宇宙动起来的内在技术，尤其是网络和运算技术可以说是支撑元宇宙的内在骨骼。
元宇宙要通过数字技术与现实世界无缝切换，需要传输庞大的数据量以VR 设备为例，使用时要消除纱窗效应，图像至少应达到16K分辨率，且需满足120Hz 以上的刷新频率。这意味着每秒至少会产生15GB的数据量。现网实测的5G云VR业务模型时延达到了70ms，但如果想让人们在使用XR时不产生眩晕感，沉浸式XR的端到端时延必须小于20ms，这需要网络的进一步发展。此外，元宇宙需要支持的交互用户规模将达到亿级。目前大型在线游戏均使用客户端软件，并以游戏运营商服务器和用户计算机为处理终端的运行模式，对计算机终端的性能要求较高，形成了用户使用门槛，进而限制了用户触达。同时，终端服务器承载能力有限，难以支撑极大规模用户同时在线。
只有无处不在的网络连接、低延时大带宽的通信质量，才能让人们在现实和虚拟的世界之间穿梭自如。通信网络的发展成熟，能够以超低时延帮助用户获得媲美本地主机的渲染质量；边缘计算，为支撑虚拟世界庞大内容体系和计算要求，实现虚拟世界的流畅运转提供了方案。5G 、物联网的大规模建设，大规模数据中心的落成以及“东数西算”的推进，在网络数据传输和算力方面为元宇宙基础设施建设提供了土壤。如何进一步释放资源潜力，实现技术与资源的灵活调配、高效协同，是元宇宙基础设施要解决的关键问题。
有观点认为，互联网的下半场是元宇宙的主场，在线游戏、社交互联网、云计算、智能穿戴等产业链将迎来空前繁荣的发展。在网络和算力的共同提升下，元宇宙的技术门槛将不断降低，将会大幅提升元宇宙的可触达性。在国家政策和市场需求的强大感召下，近几年我国公私有云热度持续攀升，为元宇宙技术发展提供了技术土壤。未来，运行在泛在、智能、敏捷、融合的算力架构之上的数字世界，会出现更多可能。
本文节选自中信出版集团的《云网融合：算力时代的数字信息基础设施》，作者：李正茂 雷波 孙震强 王桂荣 陈运清。
