计算能力 | 学者谈术语

中国科学院计算技术研究所

信息框：

中文名称：计算能力

英文名称：Computility

主题：计算机系统架构

定义：算力是反映用户实际效用的计算性能

本质：“计算能力”的本意是表达某种设备或系统的计算性能，是计算性能的口语表达。 随着智能时代的到来，智能计算的三要素——算力、算法和数据逐渐成为社会信息基础设施的重要组成部分。 效用的计算性能。

“算力”是近年来在中国被频繁使用的一个概念。 目前学术上没有严格的定义，国外也没有与之对应的准确英语词汇。 我们新构造了一个英文单词computility，它是comp(ute)和utility(效用)的聚合，旨在表达“computing power”这个词除了直观的计算性能(performance)之外的新内涵。

一，

为什么“算力”成为近年来的热词？

近年来，“算力”逐渐成为学术界、产业界和大众的热词。 名词不断涌现。

“算力”原本只是超级计算领域的一个关注对象，代表着人们对“快算力”极致能力的不懈追求。 深度学习技术的兴起带来了人工智能的热潮，标志着信息化进入了从数字化、网络化到智能化的新阶段，智能计算时代正在到来。 人们将智能计算的三大驱动力归结为智能的三要素——算力、算法和数据。 于是，“算力”这个词开始受到关注。

随着人工智能和物联网（AIoT）技术的广泛应用，“无处不在的计算”已成为一种趋势。 一方面，越来越多的事物（Things）因为嵌入了芯片或微型计算系统而具有计算能力，例如水杯、插座、台灯等，人们愿意用“计算能力”来衡量对象的计算能力。 另一方面，云计算的发展也使得越来越多的计算任务可以在云端完成，人们倾向于用“计算能力”来评价云计算中心的整体计算能力。

为推进“新基建”战略实施，国家发改委提出了“东数西数”、国家大数据枢纽节点等重大建设项目； 中国移动、中国电信等运营商从云网融合的角度提出“算力”。 在学术界，中科院计算技术研究所从高通量计算的角度提出“信息高铁”算力网络[1]，鹏城实验室提出“中国智能算力网络”从人工智能发展等角度。 “计算能力”这个词逐渐流行起来。

二，

“计算能力”的本义

“算力”字面意思就是算力，借用了代表权力的电力和运力。 计算机学术界对“计算能力”的概念有普遍共识，是指某种设备或系统的计算性能，或者“计​​算能力”是计算性能的口语表达，类似于“计算机”是口语计算机语言的变化。 这里的计算设备包括个人电脑、手机、嵌入式设备等，计算系统包括片上系统（SoC）、超级计算机、高性能计算机、云计算系统、数据中心系统、分布式计算系统、等等

表征计算性能的指标一般用计算速度来表示，包括每秒百万条指令（MIPS）、每秒浮点运算（FLOPS）、每秒定点运算（OPS）等，代表定点，半精度/单精度/双精度浮点数、AI常用的8bit整数运算等。人们一般用这些性能指标来衡量和表征设备或系统的计算能力。 例如，AI智能计算芯片的计算能力为256TOPS，超级计算机的计算能力为1EFLOPS。

在计算机学术界，为了准确描述各种计算负载和架构对性能的影响，出现了更多的性能指标和基准，例如：单位周期执行的指令数（Instructions/s，IPC）、每秒执行的哈希数（Hashes/s）、每秒执行的事务数（Transactions/s）、尾延迟（Tail Latency）等； 还有更多的基准测试，包括：针对单线程应用的SPEC CPU，针对数据库应用的TPC，针对超算应用的HPL/HPCG，针对云计算应用的SPEC Cloud，针对多线程应用的PARSEC，针对大数据应用的BigdataBench，面向图计算应用的Graph500，面向AI应用的MLperf和AIPerf等。 对大众影响最大的可能是超算TOP500榜单，其实是基于HPL衡量的计算机性能。

三，

“计算能力”的概括

“算力”成为比特币挖矿领域最先出现的流行语。 挖矿是比特币区块链的共识机制。 所谓挖矿也称为工作量证明（Proof Of Work），是指比特币区块链的所有共识节点通过算力竞争获得记账权的过程。 具体来说，比特币节点将比特币网络中未确认的交易打包成候选区块，填充区块中的随机数域，形成一个完整的区块内容，然后计算一个哈希值。 将哈希值与特定目标值（难度值）进行比较。 如果哈希值小于特定的目标值，则节点已经找到符合要求的区块，获得记账权，获得系统奖励和交易手续费。 具体目标值通常会根据全网总算力定期调整难度，使比特币区块链的出块速度保持在一个相对稳定的范围内（每10分钟左右出块）。 对于单个共识节点来说，计算出这个符合要求的区块是非常困难的，通常需要进行海量的（2的几十次方）哈希碰撞，所以一个共识节点（通常使用专业的矿机）每经过多少次每秒能不能进行哈希计算成为能否在比特币网络中取得优势的关键。 所有节点的算力总和代表了比特币区块链网络的整体算力。 矿机计算哈希函数输出的速度是衡量其“算力”的单位。 例如，当一台矿机的算力达到10T·h/s时，就意味着它每秒可以进行10万亿次计算。

“算力”进一步应用于数字经济领域。 华为等企业和政府宏观经济部门提出了“算力指数”来评估一个企业、一个地区、甚至一个国家所能提供的总算力，比如终端和数据中心安装的处理器芯片数量, 以及 CPU 内核的数量。 评价总算力，研究算力指数增长与数字经济增加值的比例关系，衡量新型信息基础设施的投资效率。 “算力经济”也被提出[2]来代表超算产业和超算赋能的各行业GDP增加值。 济南市还率先建设超级计算产业园，发展算力经济。

“算力网络”的提出，将算力纳入了基础设施的范畴。 一般工业界常用“计算力网络”，学术界常用“计算力网络”。 过去几年，国家和地方政府建设了很多超级计算中心，企业也建设了很多云计算中心。 这些地方集中部署大功率计算设备提供公共服务，算力基础设施属性不断强化。 通信网和互联网是全球信息基础设施，是信息社会的基础。 随着SDN/NFV、确定性网络等网络技术的发展，网络的智能测量和调整能力越来越强。 自然而然地，就提出了基础设施层面的算力和网络融合。 首先，谷歌等国际互联网公司在全球部署了很多数据中心，并在这些数据中心之间构建了互联网络，并定制了互联协议； 随后，国内的互联网公司和云计算公司也在全国部署了一批数据中心，通过虚拟专用网互连成分布式云； 最后，电信运营商在网络方面具有先天优势，近期不断加强对公有云和边缘云的投入。 云网融合是理所当然的[3]。 于是，“算力网络”应运而生。

算力网络的思想可以追溯到1960年代美国学者约翰·麦卡锡提出的效用计算，即“算力应该像电话系统一样成为公共服务，用户随用随取”并按使用量付费”； 在计算领域，由Ian Foster和Carl Kesselman提出的网格计算（Grid computing）一度风靡一时。 我国高性能计算技术项目多年来一直支持这方面的研究。 初创公司“并行科技”利用这种技术服务于大量的超算用户，对超算在我国的普及起到了很好的作用； 云计算也是这种思想发展的产物，颠覆了企业数据中心市场，为互联网应用提供了弹性、可靠的计算基础。 目前提出的算力网络不应是云计算的简单优化，而应从全球信息基础设施的角度考虑其发展方向。

四、

从消费端拓展“算力”内涵

一般来说，上述“算力”的内涵都是从供给侧来描述的。 例如，在公有云中，对“算力”的申请往往表现为获得多少虚拟机、多少内存容量等资源。

从人类发展史来看，经济的快速发展有赖于基础设施的普及和应用的深入。 农业经济的发展离不开交通基础设施和水利基础设施。 工业经济的发展依赖于能源和电力基础设施、全球货运基础设施、全球金融基础设施和全球通信基础设施。 数字经济的发展依赖于互联网和万维网。 和其他全球信息基础设施。 数字经济进一步向智能化发展靠什么？ 应该是算力、算法、数据的综合基础设施，包括算力基础设施、算法基础设施和数据基础设施。

一种能力基础设施化的本质是充分挖掘这种能力在消费端的内涵。 在算力领域，与美欧等发达国家相比，我国算力集中在终端，云端相对薄弱； 我国消费互联网应用强，工业互联网应用弱； 我国的算力资源是游戏、视频等信息流。 服务多，信息深加工、模型细化等智能流程服务少。 改变这一差距的途径，不是一味增加供给侧的算力资源数量，也不是拼算力供给价格，而是在消费侧发力，进行原理突破、技术创新，商业模式创新，让算力用户的“获得感”得到提升，即在一定的资源下及时解决问题。 此外，利用我国信息基础设施的相对优势，或许是缓解我国集成电路领域长期以来单片机性能不足的困境的一个途径。

因此，我们将算力的定义修改为用户实际效用所体现的计算性能，以强化算力用户的获得感。

为了表达“计算能力”的新内涵，我们没有使用英文WIKI上的计算能力，而是构造了一个新的英文单词“comutility”[4]，它是comp(ute) + utility的聚合，这反映了需要考虑计算能力。 电力作为公共服务产品的一些特性需要从用户消费公共服务的角度来考虑。 在这种理念下，​​用户只关心完成计算任务需要多少“算力”，即“真正给用户带来获得感的运算速率”（Operations of Interest Per Second，OIPS），也就是类似于用于材料加工的功率。 功率“焦耳/秒”是用于信息处理的计算能力的“功率”； 至于谁提供算力，任务发送到哪里，算力提供者之间如何调度等，用户无需感知。 算力网络（可译为Computility Grid）就是传输和调度此类算力任务的网络。

五人制，

算力网络的六大挑战

智能时代，对算力的技术挑战、商业挑战、生态挑战等诸多。 需要新的算力组件和更高效的算力站。 算力基础设施形成后，需要与算法基础设施、数据基础设施进行深度耦合。 . 从消费端出发，我们认为算力网络包括六大技术挑战：多云统一、站网分离、租用转用、单体计量、网络抽象、质量度量。

一、多云合一是将“七国八制”的企业云计算中心和超算中心统一成一个“星球级”的算力基础设施，应用API、云账户、跨云算力统一贷款。 应用程序跨云迁移是无缝的。

二是站网分离，将算力资源站与算力网络运营商分离，在技术上支持无算力站虚拟算力运营商的诞生。

第三，变租为用意味着算力的使用者改变了他们使用算力的方式。 具体来说，与传统的个人计算相比，云计算正在将资源的购买转变为资源的租赁（出售以出租）； 相对于云计算，算力互联网是变租资源为买效用（变租为使用），有助于解决云计算用户大量占用资源而不使用的问题。

第四，单一计量是指与电能一样具有单一的计量方式，即同时用功率（瓦特）和千瓦时（度）来描述用电端和供给端的行为。 供电侧发电设备产生的电能参数很多，对外提供服务时简化为功率和千瓦时两个指标。

第五，NetCode抽象是为Hashpower Network的用户表达任务提供高层抽象。 类似于万维网的网页和哈希电站的进程，NetCode是HashPower Network的网页加进程。 /本地数据、消息、文件、管道/套接字、信号量等几个概念支持各种单机任务、并行任务、分布式任务和网络任务的高效表达和分配。

第六比特币挖矿机功率多大，质量度量，定义计算功耗质量的指标和度量方法，比如吞吐量（Goodput），它既可以反映吞吐量（Throughput），也可以反映尾延迟。 .

六，

哲学思考 - 计算的概念集群

算力概念是与时俱进的时代产物。 我们可以扩大时空尺度，多思考一点科学哲学，形成计算概念集群[5]：算术、算法、计算仪式、计算能力、计算潜力，其中算术、算法、计算仪式描述计算方法，计算能力和计算潜力描述计算能力。

算术是关于数值计算方法的。 它是一种狭义的算法，也是最基本、最准确的算法。 算术强调计算技巧。 例如，中国乘法和印度乘法使用不同的技术。

算法是广义的一种计算方法，包括数值算法和非数值算法，强调计算的机械规律。 算法虽然是人脑设计的，但人脑本身就善于巧思，不善于执行机械规则； 大量的问题往往通过机械规则很容易解决，用AI技术设计算法应该是可行的。

人脑与计算机之间有着紧密的联系，但在内部机制和语义交流方面也存在差距。 计算是关于如何在计算机系统上执行计算的规范 [6]。 它比算法更接近人脑，更关注计算机系统的整体，强调计算系统可以直接由人脑进行评价。 与算法相比，计算礼仪是不成文的、软的，但其在褒义和贬义上的影响是无可替代的。

算力是应用实际能够获得的算力，其上界是算力。 计算潜力强调计算速度的潜力，不同数量级的计算潜力所能解决的问题的复杂度也有数量级的差异。 每一个阶的计算势对应一个可解决的问题域； 随着计算潜力的增加，可解域也在增加。 计算能力是社会生产力的重要指标。

算力来源于算力，受算力限制。 如何弥合两者之间的鸿沟，实现从计算能力到计算能力的高效转换，是包括计算机体系结构和系统软件在内的整个计算机科学领域都需要研究和解决的问题。 核心问题。

从科学哲学的角度看，算力本质上是一种“力”，算力网络是计算潜能的载体，本质上是一个计算场（Computity Field）。

参考：

[1] 许志伟，李国杰，孙宁辉． 一种新型信息基础设施：高吞吐量、低熵的算力网络（信息高铁）。 中国科学院院刊, 2022, 37(1): 46-52. [2] 张云泉． 算力经济走上历史舞台。 baijiahao.baidu.com/s?id=1680185917944441133&wfr=spider&for=pc[3] 李正茂等云网融合——算力时代的数字信息基础设施，中信出版社，2022.[4] 孙宁辉，张云泉，张福波。 计算能力英文怎么翻译？ 中国计算机学会通讯（CCCF），卷。 18, No. 9, 2022, 9: 87. [5] 刘宇航，张飞． 计算概念谱系：计算潜力、计算能力、算术、算法和算术。 中国科学院学报, 2022, 37(10): 1500-1510.[6] 许志伟等。 Suanli：探索计算系统的可分析抽象。 计算机研究与发展, 2020, 57(5): 897-905.

关于作者

孙宁辉

CCF会员，CCF常务理事比特币挖矿机功率多大，中国工程院院士，中国科学院计算技术研究所研究员。 主要研究方向为计算机系统体系结构和高性能计算机。

snh@ict.ac.cn

张运全

CCF特聘会员，CCF理事，高性能计算专业委员会秘书长，中国科学院计算技术研究所研究员。 主要研究方向为并行算法和并行软件。

zyq@ict.ac.cn

刘宇航

CCF高级会员，中国科学院计算技术研究所副研究员。 主要研究方向为计算机系统体系结构和存储系统。

liuyuhang@ict.ac.cn

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