觀點:在網路和算力的共同提升下,元宇宙的可觸達性將大幅提高

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作者:李正茂

從茹毛飲血的原始社會到萬物智聯的智慧社會,伴隨著技術的發展和人類對美好生活的需求,生產力得到了飛速的發展。眾所周知,生產力由勞動資料、勞動物件和勞動者組成,其中人是最活躍的生產力要素,技術是推動生產力變革的最關鍵要素。技術能夠豐富生產資料的來源和利用方式,創造和改良生產工具使其對生產資料進行有效地加工利用,提高勞動者發現生產資料價值和利用生產工具的技能。人類社會生產力的發展過程其實是從簡單的以人力為核心向以技術為核心的演進過程。具體來看,人類生產力發展歷經人力、畜力、動力等時代演進,當前已進入算力時代,算力成為核心生產力。

人類歷史上的每一次重大變革,都伴隨著象限級的技術突破。批量種植技術的發明,使人類進入農業時代;蒸汽機和熱武器的發明,使人類進入工業和大航海時代;計算機、網際網路的發明,使人類進入資訊時代。資訊時代和算力密不可分,由計算、儲存、時延三要素表徵的算力設施正推動人類通訊水平向更高層級邁進。在中國電信總經理李正茂等著的《雲網融合:算力時代的數字資訊基礎設施》一書中,總結了算力推動社會、生活、科研正規化發生的前所未有的鉅變。

算力賦能,工業製造智慧升級

1765 年珍妮紡紗機的出現揭開了工業革命的序幕,正式開啟了機械化代替手工勞作的新時代,20 年後瓦特發明圓周式蒸汽機,推動了機器的普及和發展,工廠成為工業化生產的重要組織形式;到了19世紀,電力的發明標誌著第二次工業革命的到來,傳統工業行業裂變出航空、汽車、石油、電器等新興市場,工業面貌煥然一新;進入20世紀後,以第一臺電子計算機的問世為開端,第三次工業革命悄然到來,智慧手機、無人機、晶片紛紛登臺亮相,人類資訊化水平大大提升。2013 年,德國在漢諾威工業博覽會上提出“工業4.0”計劃,被視為第四次工業革命的標誌性事件。

第四次工業革命是以人工智慧、大資料、雲端計算、物聯網為代表的數字技術驅動的生產方式的變革,從而實現工廠之間、工廠與使用者之間的智慧化連線,使生產方式從標準化轉向網路化、資訊化、定製化。

說到第四次工業革命,就不得不提智慧製造,智慧製造是製造業價值鏈的資訊化和創新,是工業技術和資訊化的深度融合,包括產品開發、應用裝備、生產產線的智慧化。圍繞智慧製造,衍生出了智慧工廠、智慧管理、智慧決策、智慧物流等新興領域。而網路和算力的廣泛應用,是實現智慧製造的關鍵保障。

在工業製造領域,工廠可以通過安裝溫度、溼度等感應裝置來對生產環境進行監測,一旦出現異常就會發出告警,並對環境進行調節。在生產環節中,工業智慧製造可以通過攝像頭對裝置狀態、生產線狀態、產品狀態、質量追溯、生產排程、物料等全生產過程進行實時監控,以及時發現每個環節發生的故障,並記錄儲存用於後續的分析改進。

西門子中央研究院曾在慕尼黑展示過雙臂機器人的一部分,其藉助人工智慧的高度自動化技術,無須程式設計即可自主分工協作,用於產品製造。對於這種機器人的引入,人類工程師只需要通過網路遠端指導,重複而精細的工作可以由智慧機器人自動計算完成,降低誤差出現的概率,減輕人工操作的工作量。

隨著產業的發展,各種聯網裝置越來越多,攝像頭、感測器、智慧機器人等將在工業製造中大量使用,承載著生產價值的海量資料作為數字化程序的衍生品,正源源不斷地流向散落在各地的計算節點。在演算法、算力、儲存和網路的加持下,製造業的資料處理系統將會變得越來越聰明。

算力+人工智慧,提升天氣預報效率

最初的天氣預報是一門玄學,純粹依靠人們的生活經驗來判斷。一些流傳至今的諺語也能反映出早期人們對於天氣的關注,比如“朝霞不出門,晚霞行千里”、“滿天亂雲飛,雨雪下不停”。天氣圖的誕生預示著現代天氣預報拉開帷幕。同時,電報的出現讓各氣象站的觀測資料可以迅速傳遞和集中,使繪製實時天氣預報成為可能。天氣圖更擅長預報短期天氣,面臨中長期的天氣預報,這種方式也束手無策。而隨後數值天氣預報的降臨則解決了這一問題。

數值天氣預報是指根據大氣實際情況,在一定的初值和邊值條件下,通過大型計算機作數值計算,求解描寫天氣演變過程的流體力學和熱力學的方程組,預測未來一定時段的大氣運動狀態和天氣現象的方法。

關於天氣方程組的求解並不是一件容易的事。英國數學家裡查遜在《利用數值方法做天氣預報》一書裡,寫到了他的計算過程。裡查遜在1916年到1918年間第一次嘗試進行數值預報,期間他組織了大量人力藉助手搖計算機耗時12 個月才完成。由此他得出,如果一個人晝夜不停地計算,需要花費6.4萬天;即便讓6.4萬人並行運算,也需要一整天的時間才能估測出未來24小時的天氣情況。

由於數值預報需要處理大量觀測資料,必須依靠算力極高的裝置才能完成。電子計算機的誕生完美解決了這個問題,並且隨著算力水平的提升,數值預報時效每10年增加1天。至今,數值預報已成為主流預報模式。

同時,氣象觀測需求和觀測裝置的升級,當前的觀測範圍從地面擴充套件到幾千米的高空,觀測要素也從溫度、溼度、風速、氣壓等向更復雜的物理量擴充套件,同時,由於城市化的演進、工業的轉型,大氣中一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫等氣體濃度也被納入監測範圍。這些都離不開算力裝置的升級。

實際上,全球主要氣象機構高效能運算機升級換代的新聞也時常見諸報端。2020年初,英國宣佈將在未來十年內耗資12億英鎊打造天氣預報專用超級計算機,加快天氣預報的速度;同年,美國國家海洋和大氣管理局宣佈採購兩臺擁有 12PFLOPS 峰值算力的高效能運算機,專門用於氣象分析預報;在我國,也有多個超算中心與當地氣象部門合作,為人們提供精細化的氣象預測服務。

隨著生活水平的提高,人們對天氣預報的時空精度提出更高的要求,氣象行業的資料量呈現大規模增長的趨勢,如何在氣象預報中引入人工智慧、如何運用人工智慧技術提高預報精度成為全球熱議的話題。

有研究表明,依靠人工智慧的天氣預報模式,可以顯著提高對臺風、雷暴和颶風等災難性事件的預測水平。日本的研究小組基於20 年以來的實驗資料繪製了105 萬張低氣壓雲圖,再經過人工智慧的深度卷積神經網路處理,得到全球雲系統解析度模型,通過這個模型可以提前一週識別出夏季西北太平洋熱帶低氣壓的發生。在我國,也有一些關於利用人工智慧實現分鐘級、街道級的天氣預報應用。

隨著技術的成熟和算力的提升,未來必將產生更多應用場景和更多氣象服務產品,給行業帶來更多新機會,為人們的生產和生活提供更有價值的資訊。

算力改變科研正規化

科學研究在不同的時代有不同的正規化,打破舊有的正規化框架,就是正規化革命。2007 年,電腦科學家吉姆·格雷在演講中提到科學研究的四個正規化,即以描述自然現象為主的第一正規化、針對關鍵變數進行演算的第二正規化、通過計算機驗證預判的第三正規化,和依靠計算機分析得到結論的第四正規化。也有人將第四正規化稱為基於大資料的科學研究,它的到來預示著我們習以為常的“結論先行-模擬驗證”的研究方法被重新構建,高效能算力在科研中的重要性更加突出。

同樣需要計算機參與科研過程,第三正規化強調理論先行,也就是先提出可能的結論,再通過演算法、資料、模擬來佐證假設的合理性;而第四正規化注重資料先行,基於已有的大量資料,再通過高效能運算機經過複雜的計算過程,得到以前未知的結論,是完全基於資料的科研模式。如果說第三正規化里人腦是主角,那麼第四正規化中電腦和資料就佔了主要地位。

第四正規化顛覆千百年來人們的思維慣例。人腦更喜歡分析事物的因果聯絡,由某種現象聯想到背後的原因;而電腦對因果邏輯並不擅長,卻在相關性探索上更勝一籌。維克托·邁爾•舍恩伯格在《大資料時代》一書中提到,大資料時代最大的轉變,就是放棄對因果關係的渴求,取而代之關注相關關係。

第四正規化在許多領域催生了一系列革命性成果。

中微子是大自然中廣泛分佈的一種基本粒子,能穿過人體、牆壁、山川湖泊、恆星,難以捕捉探測,被稱為幽靈粒子。然而,科學家從預言中微子的存在到發現它,就用了二十多年的時間。常規物理實驗和宇宙探測手段都無法對中微子進行觀測研究。得益於超算的建立,2015 年,我國科學家運用天河二號超算系統,完成了30萬億粒子數的宇宙中微子和暗物質數值模擬,揭示了宇宙大爆炸1600 年以來約137億年的漫長演化過程,幫助人類開啟探索宇宙射線起源的大門。

2020年2月,麻省理工學院在頂尖學術期刊《細胞》刊登了一篇突破性的研究成果,宣稱利用人工智慧技術發現了一種新型抗生素,可能是目前最強大的抗生素之一;谷歌旗下 DeepMind 團隊開發的 AlphaFold 系統,可以基於大量基因組資料來預測蛋白質三維結構,為生物醫藥的研發提供重要依據;2019 年釋出的黑洞影象,是由超級計算機歷時兩年的資料校準分析後得以和公眾見面,成功印證了愛因斯坦廣義相對論。

我們看到,科學研究第四正規化,藉助計算機效能日漸完善的發展趨勢,掀起了一場科學方法與資訊科技交匯融合的革命。科學工作者可以很方便地從自然到社會、從微觀到巨集觀獲得海量觀察和實驗資料,當這些資料可自由流動、可智慧處理、可整合關聯,當對資料的分析處理手段像水電一樣隨取隨用、按需供給的時候,知識的發現和傳播就變得更加頻繁且富有意義。

算力與元宇宙

2021 年 10 月,Facebook 執行長扎克伯格在Facebook Connect大會上宣佈將公司更名為 Meta,取自於元宇宙的英文單詞 Metaverse。訊息一出,就引起產業各界極大關注。

從Metaverse的字面意義看,Metaverse = Meta + verse。其中,Meta對應的是元宇宙的“元”,這個英文字首的本意是“超越”、“變化”;verse 則取自於universe,表示“宇宙”、“物理世界”。Metaverse 可以理解為是超越宇宙的宇宙,是現實世界之上的宇宙。元宇宙的具體定義眾說紛紜,比較有代表性的一個定義是:通過虛擬增強的物理現實,呈現收斂性和物理永續性特徵的,基於未來網際網路的,具有連線感知和共享特徵的3D虛擬空間。

元宇宙吸納了資訊革命(5G/6G)、網際網路革命(web3.0)、人工智慧革命,以及 VR、AR、MR,特別是包含遊戲引擎在內的虛擬現實技術革命的成果,向人類展現出構建與傳統物理世界平行的全息數字世界的可能性;引發了資訊科學、量子科學、數學和生命科學的互動,改變了科學正規化;推動了傳統的哲學、社會學,甚至人文科學體系的突破;融合了區塊鏈技術,以及 NFT 等數字金融成果,豐富了數字經濟轉型模式。

因此,元宇宙的支撐技術可以說是集數字技術之大成,如果將元宇宙比作人類的話,那麼物聯網技術、顯示互動技術、三維建模技術、實時渲染技術是外在的表現技術,人工智慧技術、區塊鏈技術以及網路和運算技術則是在內部支撐元宇宙動起來的內在技術,尤其是網路和運算技術可以說是支撐元宇宙的內在骨骼。

元宇宙要通過數字技術與現實世界無縫切換,需要傳輸龐大的資料量以VR 裝置為例,使用時要消除紗窗效應,影象至少應達到16K解析度,且需滿足120Hz 以上的重新整理頻率。這意味著每秒至少會產生15GB的資料量。現網實測的5G雲VR業務模型時延達到了70ms,但如果想讓人們在使用XR時不產生眩暈感,沉浸式XR的端到端時延必須小於20ms,這需要網路的進一步發展。此外,元宇宙需要支援的互動使用者規模將達到億級。目前大型線上遊戲均使用客戶端軟體,並以遊戲運營商伺服器和使用者計算機為處理終端的執行模式,對計算機終端的效能要求較高,形成了使用者使用門檻,進而限制了使用者觸達。同時,終端伺服器承載能力有限,難以支撐極大規模使用者同時線上。

只有無處不在的網路連線、低延時大頻寬的通訊質量,才能讓人們在現實和虛擬的世界之間穿梭自如。通訊網路的發展成熟,能夠以超低時延幫助使用者獲得媲美本地主機的渲染質量;邊緣計算,為支撐虛擬世界龐大內容體系和計算要求,實現虛擬世界的流暢運轉提供了方案。5G 、物聯網的大規模建設,大規模資料中心的落成以及“東數西算”的推進,在網路資料傳輸和算力方面為元宇宙基礎設施建設提供了土壤。如何進一步釋放資源潛力,實現技術與資源的靈活調配、高效協同,是元宇宙基礎設施要解決的關鍵問題。

有觀點認為,網際網路的下半場是元宇宙的主場,線上遊戲、社互動聯網、雲端計算、智慧穿戴等產業鏈將迎來空前繁榮的發展。在網路和算力的共同提升下,元宇宙的技術門檻將不斷降低,將會大幅提升元宇宙的可觸達性。在國家政策和市場需求的強大感召下,近幾年我國公私有云熱度持續攀升,為元宇宙技術發展提供了技術土壤。未來,執行在泛在、智慧、敏捷、融合的算力架構之上的數字世界,會出現更多可能。

數字經濟發展速度之快、輻射範圍之廣、影響程度之深前所未有,數字技術正在深刻影響著人類社會的發展程序。尤其是以算力為基礎的數字資訊基礎設施越來越成為科技進步、經濟社會發展的底座,改變了人類的生產方式、生活模式和科研正規化,其代表著人類智慧新的發展水平,其戰略性地位受到國家前所未有的高度重視並引發全球各國啟動新一輪競爭佈局,產業內外也爭相加速部署算力設施領域以搶佔發展先機。

本書主要依託作者在通訊、資訊行業30多年的從業經驗,從電信運營商的角度切入,圍繞算力時代、算力應用、算力體系、算力趨勢以及雲網融合下的數字資訊基礎設施等展開了全方位的論述。本書不僅適合通訊、資訊領域相關從業人員閱讀,還適合通訊、資訊科技相關專業的高校師生參考,更會給對數字經濟和資訊基礎設施感興趣的社會各界人士帶來啟發與幫助。

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