算力網(wǎng)絡(luò)系列文章（一）：算力提升綜述

2023年12月底，由國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家數(shù)據(jù)局、中央網(wǎng)信辦、工業(yè)和信息化部、國(guó)家能源局五部門聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于深入實(shí)施“東數(shù)西算”工程 加快構(gòu)建全國(guó)一體化算力網(wǎng)的實(shí)施意見(jiàn)》正式公布。

算力網(wǎng)絡(luò)是未來(lái)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心基礎(chǔ)設(shè)施。要想實(shí)現(xiàn)算力網(wǎng)絡(luò)的偉大愿景，還有非常多的底層技術(shù)挑戰(zhàn)需要解決。

接下來(lái)若干篇系列文章，“軟硬件融合”公眾號(hào)將從技術(shù)的視角，詳細(xì)分析算力網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

本篇是系列文章的第一篇，算力提升綜述。

1?宏觀算力綜述

算力和性能的區(qū)別在哪里？性能是一個(gè)微觀話題，通常的說(shuō)法是“芯片的性能”，較少說(shuō)“芯片的算力”（隨著算力的概念深入人心，也有不少人采用單芯片算力的算法）。同時(shí)，算力是一個(gè)宏觀概念，比如評(píng)價(jià)一個(gè)數(shù)據(jù)中心，通常則采用“算力”這個(gè)說(shuō)法，很少會(huì)用“性能”這個(gè)說(shuō)法。

總之，算力和性能本質(zhì)上是一體的，區(qū)別在于性能是微觀概念，算力是宏觀概念。那么算力和性能之間的聯(lián)系是什么？

如上圖所示，我們定性分析，可以在性能和算力之間構(gòu)建一個(gè)關(guān)聯(lián)的公式。從上述公式可以看到，要想提升宏觀的實(shí)際總算力，可以通過(guò)三個(gè)方法：

方法一，Scale Up方式，提升單芯片的性能。一方面底層先進(jìn)工藝和Chiplet封裝支撐，另一方面越來(lái)越多的大算力場(chǎng)景需求，都驅(qū)動(dòng)著在系統(tǒng)架構(gòu)和微架構(gòu)方面的創(chuàng)新，來(lái)實(shí)現(xiàn)單芯片層次更高的性能。這是算力提升最本質(zhì)的做法。

方法二，Scale Out方式，提升芯片落地的規(guī)模/數(shù)量。通過(guò)增加芯片落地規(guī)模的方式提升總算力，比較好理解。挑戰(zhàn)在于，如何讓芯片更好地增加數(shù)量？芯片要想大規(guī)模落地：需要覆蓋非常多的業(yè)務(wù)場(chǎng)景和業(yè)務(wù)迭代，這就需要芯片具有非常高的通用性；此外，芯片需要支持更大規(guī)模的集群計(jì)算。

方法三，則是提高算力利用率。提升算力利用率有很多方法，例如，資源擴(kuò)展性、資源池化、開(kāi)放架構(gòu)等等。算力網(wǎng)絡(luò)，是提升算力利用率的綜合解決方案。

本系列文章聚焦算力網(wǎng)絡(luò)，因此，篇幅分配會(huì)有很大不同。本篇文章中，將簡(jiǎn)要介紹提升算力的三種方式。

2 如何提升單芯片性能？

定性的分析，一個(gè)芯片的性能有三個(gè)維度：

維度一，指令復(fù)雜度。依據(jù)指令復(fù)雜度，典型的處理器引擎分為CPU、協(xié)處理器、GPU、FPGA、DSA和ASIC六大類。理論上，指令復(fù)雜度越高，性能越好。但實(shí)際上，需要考慮系統(tǒng)的通用性，以及目標(biāo)工作任務(wù)的靈活性特征，來(lái)選擇合適的處理器引擎。

維度二，運(yùn)行頻率。運(yùn)行頻率提升，主要是先進(jìn)工藝，以及更復(fù)雜的流水線設(shè)計(jì)。

維度三，并行度。提高并行度比較好理解，并行也主要有同構(gòu)并行、（兩個(gè)處理器的）異構(gòu)并行和（三個(gè)以上）更多異構(gòu)的并行。

這三個(gè)維度里，指令復(fù)雜度提升和運(yùn)行頻率提升，都受到到各種因素的制約，真正對(duì)性能影響最大的則是并行度。提升并行度，不是簡(jiǎn)單的復(fù)制，而是需要全面考慮系統(tǒng)工作任務(wù)特征，尋找合適的處理引擎，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的并行計(jì)算：

同構(gòu)并行，僅指CPU同構(gòu)并行（其他處理器無(wú)法單獨(dú)存在，需要CPU協(xié)助），摩爾定律已經(jīng)失效，CPU并行性能有局限。

異構(gòu)并行，指CPU+其他加速處理器的并行計(jì)算，異構(gòu)并行是兩類處理器的協(xié)同計(jì)算。

異構(gòu)融合并行，指的是CPU+兩種以上不同類型或子類型的處理器組成的計(jì)算架構(gòu)。因?yàn)樘幚砥髟龆?，則需要考慮各個(gè)處理器之間的協(xié)同問(wèn)題。因此，異構(gòu)融合計(jì)算，中心在于處理器之間的深度協(xié)作和融合。

3?如何提升芯片的落地規(guī)模？

通用靈活性

芯片只有大規(guī)模落地，才能顯著地提升宏觀算力；不能落地芯片，即使性能再高，與宏觀算力的提升也毫無(wú)意義。芯片要想大規(guī)模落地，一定是要覆蓋非常多的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，以及非常多的業(yè)務(wù)迭代。這樣，勢(shì)必需要芯片具有非常高的通用靈活性。

同時(shí)，芯片大規(guī)模落地，成本也是一個(gè)非常重要的因素。跟小芯片相比，大算力芯片的成本主要是前期的研發(fā)投入的均攤成本，芯片實(shí)際的生產(chǎn)成本反而占比相對(duì)較少。只有實(shí)現(xiàn)了相對(duì)通用的芯片設(shè)計(jì)，才能覆蓋更多的場(chǎng)景和迭代，才能攤薄成本。成本下降之后，反過(guò)來(lái)，進(jìn)一步促進(jìn)芯片的大規(guī)模落地。

高性能網(wǎng)絡(luò)

與此同時(shí)，大算力芯片，需要支持大規(guī)模集群和跨集群的計(jì)算。更多計(jì)算節(jié)點(diǎn)組成的集群/跨集群計(jì)算，內(nèi)部流量占據(jù)絕大部分。

以目前流行的大模型計(jì)算集群為例，其東西向（內(nèi)部）流量占比超過(guò)96%，南北向（外網(wǎng)）流量占比僅有3%左右。并且，隨著集群規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，南北向流量占比仍在進(jìn)一步減少。

此外，隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，南北向的流量也是逐漸增加的。兩相疊加，需要個(gè)體的芯片的網(wǎng)絡(luò)帶寬指數(shù)級(jí)提升，同時(shí)需要支持高效的內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)高性能網(wǎng)絡(luò)。

總之，只有實(shí)現(xiàn)了足夠的通用靈活性，以及高性能網(wǎng)絡(luò)，才能支撐更高性能更高效率的超大規(guī)模的集群/跨集群計(jì)算，才能真正支撐宏觀算力的顯著提升，與此同時(shí)降低算力的成本。

4?如何提升算力利用率？

如果每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)都是孤島，即使某一個(gè)節(jié)點(diǎn)算力利用率很高，但更多的節(jié)點(diǎn)可能處于閑置或者低利用率狀態(tài)，宏觀地看，其算力利用率必然很低。要想真正提升算力利用率，首先勢(shì)必需要把計(jì)算節(jié)點(diǎn)池化，形成算力資源池，才好談高利用率的問(wèn)題。

我們來(lái)系統(tǒng)分析一下如何有效地提升算力利用率。

資源可擴(kuò)展性

資源可擴(kuò)展性是一個(gè)非常重要的前提條件。

以CPU為例，通過(guò)虛擬化，一個(gè)物理的CPU核可以分為數(shù)以百計(jì)的邏輯CPU核，一個(gè)邏輯核可以當(dāng)作CPU的最小粒度；同時(shí)，一個(gè)CPU芯片有數(shù)十個(gè)甚至上百個(gè)CPU核，常見(jiàn)的服務(wù)器通常有1-8個(gè)CPU芯片，并且還有眾多服務(wù)器組成的計(jì)算集群。因此，CPU是可以從1個(gè)邏輯核擴(kuò)展到成千上萬(wàn)的邏輯核的。這就是CPU極致可擴(kuò)展性的體現(xiàn)。

其他的資源，如各類GPU、DSA等各類加速器計(jì)算資源、內(nèi)存（Memory）資源、網(wǎng)絡(luò)I/O資源、存儲(chǔ)（Storage）I/O資源等。這些資源，也需要像CPU一樣，具有非常好的擴(kuò)展性。

資源池化

資源具有足夠好的可擴(kuò)展性，物理的資源通過(guò)合適粒度進(jìn)行邏輯切分，并且跨物理資源、跨芯片、跨計(jì)算節(jié)點(diǎn)，甚至跨集群的資源資源可以組成一個(gè)整體，最終形成統(tǒng)一的宏觀資源池。只有形成足夠好的可擴(kuò)展性才能支持靈活的資源池化和資源的靈活分配。

多租戶多系統(tǒng)

多租戶多系統(tǒng)是云計(jì)算非常重要的特征，通過(guò)多租戶多系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)資源的共享和成本分?jǐn)?，以此?lái)提高算力利用率和降低成本。

開(kāi)放架構(gòu)

隨著CPU的性能瓶頸，越來(lái)越多的異構(gòu)算力成為算力提升的主力。即使某個(gè)處理器具有足夠高的可擴(kuò)展性，但一種架構(gòu)的資源，就意味著一個(gè)獨(dú)立的資源池。這樣，多樣性的異構(gòu)算力，會(huì)導(dǎo)致架構(gòu)和生態(tài)的碎片化。通過(guò)開(kāi)放架構(gòu)，可以盡可能地實(shí)現(xiàn)架構(gòu)的收斂，才能最大化地發(fā)揮資源池化的價(jià)值。

跨集群調(diào)度

算力網(wǎng)絡(luò)，最核心的價(jià)值在于把非常多的各種計(jì)算集群連接到一起。因此跨集群的資源共享和業(yè)務(wù)調(diào)度是必然要支持的能力。算力網(wǎng)絡(luò)，需要實(shí)現(xiàn)跨不同的集群、跨不同的數(shù)據(jù)中心、跨云網(wǎng)邊端。

跨平臺(tái)

隨著異構(gòu)的資源越來(lái)越多，從一個(gè)計(jì)算階段遷移到本集群或者其他集群其他計(jì)算節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，它的資源種類不一定和當(dāng)前節(jié)點(diǎn)資源一致。這樣，對(duì)業(yè)務(wù)能力跨不同架構(gòu)處理器運(yùn)行提出了更高的要求。比如，業(yè)務(wù)可以跨x86、ARM和riscv CPU處理器運(yùn)行，業(yè)務(wù)還可以跨CPU、GPU、DSA處理器運(yùn)行，等等。

便利性，隨時(shí)隨地可獲取

相比傳統(tǒng)自建機(jī)房，云計(jì)算已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了算力的方便獲取。但還不夠。隨著AI大模型、自動(dòng)駕駛、元宇宙XR等各類大算力場(chǎng)景越來(lái)越多，對(duì)算力的多樣性要求也越來(lái)越大，云端算力、多層次的邊緣算力，甚至更加便利的終端算力，都需要納入算力網(wǎng)絡(luò)的范疇，提供宏觀的算力資源整合方案，方便用戶隨時(shí)隨地輕松獲取。

總結(jié)一下。通過(guò)上述這些方式，以及其他可能的上面沒(méi)有提到的方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)宏觀算力資源的充分利用，從而為客戶提供極致成本的海量算力。