「算能」计算驱动的第四次科技革命

转载
14 天前
3671
SAIHEAT赛热科技

来源:SAIHEAT赛热科技


01

上帝视角看比特币的启示和推动作用

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,我们不讨论比特币的价格,而是从更本质的角度去研究比特币带给我们的启示和它的推动意义。 

1. 用货币标准评价BTC——技术降低成本的全球化案例

比特币的快速发展,和它用技术手段解决了至关重要的核心问题息息相关。

发行规则,BTC用代码锁定了总量2100万个不可增发的事实。相比于很多弱主权国家法币超发通货膨胀的局面,BTC用技术支撑了不可增发的共识。

可互换性,相比于传统货币,BTC的可互换性无疑是更胜一筹,不需要第三方的许可,掌握私钥就掌握真正的所有权,不受任何第三方的影响。

信任成本,比特币用技术保证了交易的安全性和可验证性,大大降低了互不相识的交易双方的信任成本。

流通成本,作为一种数字资产,比特币比任何实体货币都有更高的流动速率和更低的流通成本,这也形成了一种正反馈机制,让更多的转账愿意选择比特币作为途径。

2. 用计算产业思路分析BTC挖矿——引领芯片计算产业

我们都知道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,我们回看比特币矿机发展史,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。从芯片发展的角度,比特币矿机推动了ASIC芯片的大规模应用和制程的快速递进,未来相信比特币矿机很有可能比手机厂商更早大规模采用更领先的纳米制程。紧跟着比特币矿机芯片的步伐,我们看到AI的快速发展,人工智能芯片也开始向ASIC转变,开始采用28nm甚至是16nm做小规模的应用。相信随着AI和边缘化计算需求的快速发展,我们也会看到AI芯片的大规模生产、应用和发展。

从单机功耗的维度,这些年我们看到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。到了目前2-3kw的阶段,我们会看到很多硬件技术瓶颈:比如生产单个2-3kw大电源的稳定性和良品率已经出现问题;2-3kw单机功耗对配电/线缆都提出了新级别的要求;散热问题更加严峻,原来的风冷已经不能满足现在更高热流密度的散热需求,有的厂商甚至需要两组暴力风扇来保证散热效果;能源成本更加凸显,无论是计算所消耗的能源,还是散热所消耗的能源,都达到了一个新的量级,单体能耗和产业总能耗都进入到下一个快速增长的阶段。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。

跳开比特币矿机,我们会发现即将到来的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;同样大功耗也会面临严峻的散热问题,尤其是在户外条件下一年四季环境温差可能达到60摄氏度以上。

从数据中心的维度,比特币矿场虽然目前相比于传统IDC机房显得十分粗放,这主要是受成本和政策的约束,但是比特币矿场的总负荷已经接近1000万千瓦(按比特币全网100E算力计算,考虑到新一代矿机60w/T的平均功耗可以粗略认为全网矿机的平均功耗为100w/T),这个规模的增长速度超越了传统IDC数据中心的增长速度而且还会快速增长。同样,随着人工智能、5G、物联网的快速发展,也会带来指数级的计算需求和相应数据中心用电负荷的增长。与此同时,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。

综上所述,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,这不是巧合,因为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。 

3. 用能源角度看待POW机制——以能源为本位的流动性溢价

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。上文分析了比特币挖矿也是计算产业中的一类,我们再延伸一步思考挖矿的本质。矿工都知道挖矿主要有两块成本,一块是矿机成本也可视为芯片成本,另一块就是电费,电费作为持续性的成本投入往往占据了大头。但如果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,矿工的角色就像是以电力为原材料生产比特币这个产品的全球性分布式的工作群体。把比特币当做一种商品,那么它的成本就至关重要,我们都知道商人一定会有动机去寻找和使用更低的生产成本,于是矿工会去主动找廉价的电力。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,那么比特币也可以视作是电力这种原材料的高附加值产物,这个时候对于电力或者相应能源(煤炭、天然气等)的所有者而言,是选择把电力等能源以廉价的原材料卖掉还是就地生产比特币获得更高附加值呢?

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。

02

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,数据、信息等数字生产资料开始大量积累,接下来5G、物联网、AI和区块链的发展,会带来虚拟世界的生产资料指数级增长,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,这与现实当中我们对计算产业的认知是一致的。 

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,这与客观规律保持一致。

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,例如过去处理一定规模的数据需要几台超级计算机耗费大量的电处理1个月甚至几年,而未来处理同等量级的数据只需要一块芯片耗费极少的电力用不到1秒的时间就可以完成。

03

能源、金融、科技的大融合

1. 能源与计算

正如前面所讲到的,无论是比特币挖矿,还是高性能计算,都通过芯片将能源与计算两个产业融合在一体,计算产业可以视为以能源为主要生产资料和生产成本的生产制造业。

我们再单独分析能源产业,目前全球电力消耗中,有8%-10%是用于计算的,未来随着计算产业的快速发展,由于电力是目前计算产业的唯一直接能量来源,所以这个占比会快速上升。有相关研究预测未来5年,用于计算的耗电量占全球总耗电量的15-20%,我们认为这是一个相对保守的预测。我们从电力消费端分析,用于生产制造、生活用途(照明、取暖)的需求市场是跟人口和国家发展息息相关的产业,在未来并不会出现指数级的增长态势,而计算需求市场因为5G、AI等技术的普及会产生指数级的增长态势,因此计算市场的耗电量占比会快速的提高。上一轮互联网和移动互联的普及,大量的存储计算需求推升了计算产业的整体耗电量上升,这一轮新技术的快速普及,无论是数据和计算任务的体量还是产生速度都要比上一轮快很多,因此未来这一轮计算市场耗电量的增长应该也比以往快很多。如果我们看的更远,那么未来虚拟世界作为现实世界映射的平行世界,其数字生产资料的总规模应该不小于现有物理世界,那么要用计算的方式处理这些生产资料所需要消耗的能源也应该是非常大的,所以我们不妨做一个大胆的假设:未来全球电力消耗占比中,计算产业将达到50%甚至更多。

与此同时,计算市场用电需求的快速增长也会推动电力供给侧的改变,如何满足如此快速的电力增长需求,将是一个至关重要的问题。这里不管需要考虑电力规模的增长空间,还需要考虑电力成本,因为电力成本会直接影响到计算成本,并最终回归到终端用户的算力成本。另一方面,发电供给侧的变化还会延伸到其他相关能源领域,核电、火电、水电等相应发电方式都会参与到这个快速增长的市场,上游的能源供给(包括石油、天然气、煤炭等)都会产生联动效应,全球的能源消费市场格局将会产生新一轮的变化。

如果我们做进一步的猜测,算力成本即能源成本会随着技术的进步而不断下降,但总体需求会快速上升,那么是否会到达一个临界点,即能源流向其他用途的收益开始低于流向计算用途,那么这个时候更多的能源资源开始主动流向计算需求市场。这种情况在比特币挖矿全球市场已经有所体现,相信未来会在更多高性能计算领域展现出来。 

2. 金融与计算

现代金融与计算可谓息息相关,无论是全球交易市场还是各个金融组织独立数据中心,每时每刻都在完成大量的计算任务。随着全球化的进一步推动,我们相信金融产业对计算产业依赖度会越来越高:移动支付,交易市场,客户数据,行情分析等需求的快速增长也会推动计算市场的快速增长。

当我们以金融的视角看待能源时,又会发现更多的关联性。如果给金融提炼一个关键词,我觉得“流动性”当属最恰当之一。能源作为一种资产,其价格(这里粗略认为价格=价值)可以视为由两部分组成,一部分是使用价值,即作为燃料、动力等使用场景的使用属性带来的价值;另一部分是附属价值,包括作为一种大宗商品在二级市场上受供需关系和流动性影响产生的价值。前面提到比特币更像是能源的流动性溢价,其实也是使用价值与附属价值的一种结合方式的体现。除了比特币以外,整个计算产业其实也在将能源的使用价值与附属价值结合得更加充分,发挥出能源更大的价值。

所以,纵览上述能源与计算、金融与计算的关系,我们可以总结一下:计算将能源与金融两大产业紧密结合在一起,在未来的发展中,计算和金融的快速增长会带动能源消耗的快速增长。 

3. 科技与计算

回归到计算本身,计算的主要载体是芯片。芯片产业是目前全球尖端科技产业的核心之一,几乎所有智能设备和现代服务都离不开芯片,例如手机、电脑等智能终端会直接内置芯片,大数据中心、边缘计算中心都通过大规模高密度的芯片来为终端用户提供服务。围绕芯片的周边产业生态,基本上也集中了所有最先进的技术和企业,从晶圆的生产流片到PCB版的制作,涉及到材料、物料、数学、化学等上百个学科。

同时计算产业的发展,也会推动和吸引整个科技产业的进化和聚集。更先进的材料、技术将会流入到芯片的生产制造,更多更专业的人才和企业将会投入到芯片计算产业的研发,更强大的服务和资源将会聚集到芯片计算产业。

综上,计算产业将推动能源、金融、科技产业的大融合,能源、金融、科技本身就是现代社会的三大支柱产业,相互之间有着千丝万缕的联系,而计算更像是能源、金融、科技三者的交集,且在需求的推动下使这个交集的在三大产业当中的占比不断地扩大。

04

能源、金融、科技的大变革

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(其中E代表能量,也就是做功的多少,F是力的大小,t是时间,a是一个参数且针对不同的力和能量有不一样的数值),例如牛顿力学中做功的计算公式是W=FS=F*v*t,电力学中W=P*t,这些场景的中力和能量都可以用我们上述的简化公式提炼出来。

那么我们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。前面我们分析过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。举个最简单的例子,一台矿机的算力是确定的,但是它工作一秒钟和工作一年所能产生的结果是完全不一样的,消耗的能量也是完全不一样的,就像现实生活中把不同重量的砖搬到不同的楼层消耗的能量也不一样。

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。我们前面分析过计算与能量的消耗高度相关,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。因此我们就知道,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,提高算能效率本身也是一个非常值得思考的方向。所谓效率,无非是两个参数,即成本和收益,因此要提高算能效率就要从降低算力成本和提高算力收入来入手。而我们更宏观的来看,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

延续算能的概念,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。

之前说过目前计算耗电量占全球总耗电量的5%-8%,我们不要小看这个数字,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,因此未来这个数字会在10年内快速增长。从电能供给的角度,存量的电能生产能力的余量可以满足计算需求的增长,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,因此计算产业也逃离不了能源成本的约束。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。作为算力的运维服务方,将更有动力采用更先进的技术来降低整个数据中心的PUE,例如采用更高效节能的散热方式来降低散热能耗,采用更优质的基础设施来降低电力传输的损耗。

这里再补充一点,依据前面所述,人们在担心量子计算带来安全威胁的同时,应该首先担心的是量子计算的能耗成本问题。 

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。因此移动支付、电子商务、数字金融、全球交易仍然会是未来很长时间快速发展的行业,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,未来有可能超越原子能武器成为国家的核心竞争力,届时所有先进的科学技术将会涌入到这个产业,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。


杨瑶瑶

4908篇

文章总数

49662257

浏览数

新闻排行

数字贸易与跨境数据安全流动或是政策下海南新变局核心

6月1日,《海南自由贸易港建设总体方案》全文公布,全岛封关、零关税、个税封顶15%等多项在中国开放史上前所未有的制度设计彰显出这份方案的力度。

构建开发者新生态,OKChain“黑客松”创新应用大赛启动!

此次大赛的活动时间为即日起至2020年7月20日,用户参赛的选择性也将是多元化的,包括但不局限于开发者工具、委托节点服务、行情计算插件、sdk、staking产品等,参赛结果将于8月底统一公示。

霍比特HBTC巨建华:霍比特和499的战略牵手,共建社区新生活

霍比特与499共同推出了霍比特美少女战队,邀请具有丰富行业经验和社群建设经验的女性从业者加入霍特币美少女战队,参与共同建设HBTC霍比特交易所,来扩展和维护HBTC用户社群

ChainsMap链上数据5月扫描:10000美元阻力下的链上百态

一万美元之下,链上数据是波澜不惊,还是暗流涌动

OKEx课堂【交易安全】

不论您是小白还是老用户都应该注意交易防骗。

OKEx期权课堂【期权与现货/杠杆有啥不一样?】

随着您交易现货和杠杆现货,以及您现在接触的期权这种衍生品,您一定会问这些有什么不一样的地方。

OKEX永续合约的资金费

OKEx永续合约的资金费率是什么意思?为什么有正有负?是平台收取的吗?