算能 — 计算驱动的第四次科技革命

来源:算力智库

从比特币看高性能芯片计算产业现状

比特币从诞生至今逾十个年头,在完全自由的市场竞争中,它无疑是到目前为止最成功的案例。比特币的获得和记账主要是通过“挖矿”行为来实现的,挖矿更加像是一个传统实业,需要大量的硬件投入和建设成本以及较长周期的资金回报期望。 

从芯片的维度,挖矿离不开矿机,从最早的个人电脑CPU时代,到后来的GPU和FPGA时代,再到ASIC时代,挖矿芯片在功耗比上快速迭代,整体算力也呈指数级上涨的趋势。

而矿机从单体几百瓦到16nm时代1.5kw左右再到最新一代的2-3kw,单机功耗越来越大。这些变化都是由算力的需求驱动的,都是自由并且快速发展到了今天的局面。在即将到来的5G时代,5g基站也在往这个方向发展并且面临同样的问题,4g基站的服务器单机功耗跟16nm时代的矿机很接近,而现在5g基站的单机功耗达到3-4kw,而且相比于4g需要3-4倍的5g基站数量才能达到很好的信号覆盖效果,这就意味着电信运营商面临这巨大的能耗成本问题;同时5g基站单机功耗这么大对配电提出了挑战,很多场景并不具备相应的配电标准,更改配电设施意味着更高的成本投入,所以我们看到华为推出的5g基站自带一块蓄电池,就是为了解决配电问题。

从数据中心的维度,比特币挖矿作为一个对电费高度敏感的行业,市场的自由之手让矿工和矿场主去主动发掘国内乃至全球的优质廉价电力资源,相应为闲置的电力的所有者也带来了额外收益。未来大量的数据会产生边缘计算和分布式计算的需求时,能耗成本也会成为他们共同面临的问题。     

我们发现比特币挖矿与传统数据中心和未来AI与边缘计算的发展趋势有诸多相似之处,这些都可以归类为高性能芯片计算产业,并随着计算需求的快速增长而快速迭代。

POW(Proof of work)作为比特币的共识机制,对比特币起到了至关重要的作用。挖矿主要有两块成本,其中电费作为持续性的成本投入往往占据了大头。我们换一种思路去看待电费成本,成本就是本质,那么挖矿的本质就是以电力为本位的生产活动。再进一步,如果比特币这种商品是以电力为主要成本生产出来的,那此时我们可以把比特币看作是电力(能源)的高附加值产物,结合比特币本身高流通速率和低流通成本的特性,相当于为全球分散的煤炭、天然气、电力等能源资源提供了全球流动性。在全球化的时代背景下,除了通过贸易渠道销售以外,能源所有者又会多一种收益选择。 

高性能计算是第四次科技革命的核心驱动力

1. 计算是物理世界与虚拟世界的桥梁     

我们从物理学的角度分析能量在计算活动中的流动路径:(为了简化我们的分析,我们分离出计算活动的重点部分也就是芯片)100%的电能通过芯片,转化成99%以上的热能(和一小部分电磁波,可以忽略不计),同时完成了计算的任务。计算,无论是处理数据信息还是完成计算,都是将虚拟世界的生产资料变得有序,因此可以视为一个以电能为输入,热能为输出的熵减活动。只要是计算,就一定会消耗对应的能量,通过计算,物理世界的能量等生产资料与虚拟世界的数据信息等生产资料实现了真正的关联,甚至我们可以宏观的认为,每一次计算的结果,都是物理世界的能量在虚拟世界的映射。

2. 芯片是高性能计算的发动机     

从第三次科技革命到今天,生产资料的积累维度已经从之前的物理世界延伸到了虚拟世界,对应如此巨大的生产资料,需要非常强大的计算能力完成处理任务,相应也需要同等量级的能源作为输入,高性能计算芯片就是核心角色。     

随着计算任务的指数级增长,芯片从性能和数量两个维度上快速迭代进化,单个芯片的性能越来越强大,功耗越来越低,芯片总量越来越大总功耗越来越高。可以预见的是,未来大量的计算需求,会带来芯片产业的爆发式增长,也会带动为计算提供能源服务的相关产业爆发式增长。把芯片比作发动机,电力就像燃料,有多少燃料就能跑多远的路,给多少的电就能完成相应数量的计算任务。

 3. 高性能计算都是以能源为本位的POW     

抛开比特币挖矿,以全局视角看待高性能计算产业,这是一个以电力为生产资料和主要生产成本的行业,因此这也是一个以能源为本位的行业。在这里我们再看Proof of work机制,这里的work在比特币挖矿机制中被定义为“工作量”,然而work本身就是物理学做功的概念,因此我们完全可以把计算定义为电力做功的一类行为活动,所以从这个角度上看所有的高性能计算都可以认为是proof of work机制。    

4. 能源是历次科技革命的源动力     

回顾历次科技革命,第一次工业革命的蒸汽,第二次工业革命的电力,第三次科技革命的原子能和信息技术,都是在能源变革后取得了生产力的快速进步。第四次科技革命会有天量的数字生产资料需要高性能计算处理,也许这就是第四次科技革命的核心,即以能源为本位的高性能计算带来数字资产生产资料的大规模价值化。这样看来,能源依旧是第四次科技革命的源动力。

如果把每一次科技革命视作一个周期,那么在周期内的生产活动更多的是需求决定供给,即能源和生产力已经实现了突破,由市场需求来决定到底需要多少生产力的供给,并且不断的优化生产力的成本(即能源成本);而在周期变革的阶段,由于生产力的快速突破和能源量级的快速提升,大大地解放了原有的生产力束缚降低了生产成本,所以这一阶段是供给决定需求。

算能——第四次科技革命

1. 计算产业的核心——算能     

在物理学中,力和做功的关系可以用E=a*F*t来简化表示,那么如何表示计算能力呢?直接的表示方法是定义每秒完成计算的次数或者能力,例如目前比特币矿机的算力在几十T/s,但是这样的表示方法并不能看到算力与能量之间的直接关系。计算是一个熵减的过程,一定需要消耗能量,要有能量的输入,而算力是一个瞬间的状态,不能表示整个计算这个熵减过程所产生过的结果。  

那如何去评估计算所带来的结果?类似物理学中动力与动能的关系和定义,我们将算力在一段时间内完成任务的能量定义为算能。如果把计算这件事近似看作是芯片消耗电能完成计算的过程,从热力学第一定律能量守恒的角度出发,那么我们就可以用电能的消耗来间接表示算能,因此算能就等于计算所消耗的电能总和。 

在实际过程中,以一台用于计算的设备为单位来研究,其中电能绝大部分用于芯片和其他电器元件的计算,但还有一部分是用于散热等周边服务来维护芯片的稳定工作状态。因此要想提高电能的利用率来提高算能,就要尽可能减少非计算工作对电力的消耗。

与此同时,除了提高电能的利用率,还要提高算能效率,即从降低算力成本和提高算力收入来入手。宏观来看,想提高算能效率,就要降低电力成本和芯片的功耗比,提升芯片的处理能力。这件事从计算产业的第一天起就在不断发生,芯片不断采用更先进的技术和制程来降低功耗,数据中心在不断寻找更廉价的电力和降低总耗电量的途径。

2. 算能驱动能源的变革   

由于计算产业与电能消耗紧密联系,所以计算产业的发展会为能源产业带来三个主要变化:1. 用于计算的能源总量和占比快速增长。2. 更低成本更加稳定的能源将在计算产业所需的能源品类中占比越来越大。3. 更多种类的能源资源将向转变为电力的方向靠拢。   

目前计算耗电量占全球总耗电量的5%-8%,由于计算需求会是指数级增长,因此计算耗电量的增长也会呈现指数级态势。但是到一定规模之后,就要开始考虑电力需求市场的重新调配,原本低产值的耗电产业的电力将会转向高产值的计算产业。此后存量电力市场的调配不能满足全球电力的需求时,更多的一次能源将会投入到发电来带动更快速的电力增量市场的增长。

能源成本一直都是人类社会发展的核心命题,从宏观的角度,算能需求的增长会带来电能需求的指数级增长,因此更多的廉价甚至是闲置电力将被利用起来,同时更多的天然气、煤炭等一次能源将会集中转变成电力来为计算产业服务。

3. 算能驱动金融的变革 

由于算能的大幅度提升,对数字生产资料的处理能力大幅提升,金融产业通过与计算产业的结合使得效率大幅度提升成本大幅下降,因此金融产业也会向这个方向不断进化:通过互联网和先进技术来降低金融产业的信任成本、流通成本、交易成本,同时也反向推动计算需求的不断增长。计算能力将从各个维度渗透到传统金融行业,这更像是一种赋能的过程,不是简单的互联网金融,而是算能金融、智慧金融。  

4. 算能驱动科技的变革   

算能本身也是依靠科技进步不断进化的,5nm甚至3nm制程将会带来更低功耗的高性能芯片,新材料的研发将会带来更好的散热效果。与此同时随着5G、AI的快速普及,物联网和边缘计算的依靠算能的赋能开始凸显价值,科技将推动每一个传统产品都将具备数据获取和计算能力,这些计算能力又会进一步推动算能的发展和进化。

算能,未来有可能成为国家的核心竞争力,算能需求的增长会带来相关产业的快速增长,近来被资本热捧的芯片产业,作为国家的核心战略,会在相当长的时间内得到更多的资源倾斜和快速发展的机会,并带动芯片周边产业以及算能服务产业的快速发展。 

正如互联网推动电子商务的发展壮大,催生出包括阿里巴巴、亚马逊这样服务于电子商务需求的巨头企业,同样算能需求的快速增长和芯片产业的快速发展,也会为未来可能诞生的算能服务巨头奠定坚实的基础。

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