算能 — 計算驅動的第四次科技革命

從比特幣看高性能芯片計算產業現狀

比特幣從誕生至今逾十個年頭，在完全自由的市場競爭中，它無疑是到目前為止最成功的案例。比特幣的獲得和記賬主要是通過“挖礦”行為來實現的，挖礦更加像是一個傳統實業，需要大量的硬件投入和建設成本以及較長周期的資金回報期望。

從芯片的維度，挖礦離不開礦機，從最早的個人電腦CPU時代，到後來的GPU和FPGA時代，再到ASIC時代，挖礦芯片在功耗比上快速迭代，整體算力也呈指數級上漲的趨勢。

而礦機從單體幾百瓦到16nm時代1.5kw左右再到最新一代的2-3kw，單機功耗越來越大。這些變化都是由算力的需求驅動的，都是自由並且快速發展到瞭今天的局面。在即將到來的5G時代，5g基站也在往這個方向發展並且面臨同樣的問題，4g基站的服務器單機功耗跟16nm時代的礦機很接近，而現在5g基站的單機功耗達到3-4kw，而且相比於4g需要3-4倍的5g基站數量才能達到很好的信號覆蓋效果，這就意味著電信運營商面臨這巨大的能耗成本問題；同時5g基站單機功耗這麼大對配電提出瞭挑戰，很多場景並不具備相應的配電標準，更改配電設施意味著更高的成本投入，所以我們看到華為推出的5g基站自帶一塊蓄電池，就是為瞭解決配電問題。

從數據中心的維度，比特幣挖礦作為一個對電費高度敏感的行業，市場的自由之手讓礦工和礦場主去主動發掘國內乃至全球的優質廉價電力資源，相應為閑置的電力的所有者也帶來瞭額外收益。未來大量的數據會產生邊緣計算和分佈式計算的需求時，能耗成本也會成為他們共同面臨的問題。

我們發現比特幣挖礦與傳統數據中心和未來AI與邊緣計算的發展趨勢有諸多相似之處，這些都可以歸類為高性能芯片計算產業，並隨著計算需求的快速增長而快速迭代。

POW（Proof of work）作為比特幣的共識機制，對比特幣起到瞭至關重要的作用。挖礦主要有兩塊成本，其中電費作為持續性的成本投入往往占據瞭大頭。我們換一種思路去看待電費成本，成本就是本質，那麼挖礦的本質就是以電力為本位的生產活動。再進一步，如果比特幣這種商品是以電力為主要成本生產出來的，那此時我們可以把比特幣看作是電力（能源）的高附加值產物，結合比特幣本身高流通速率和低流通成本的特性，相當於為全球分散的煤炭、天然氣、電力等能源資源提供瞭全球流動性。在全球化的時代背景下，除瞭通過貿易渠道銷售以外，能源所有者又會多一種收益選擇。

高性能計算是第四次科技革命的核心驅動力

1. 計算是物理世界與虛擬世界的橋梁

我們從物理學的角度分析能量在計算活動中的流動路徑：（為瞭簡化我們的分析，我們分離出計算活動的重點部分也就是芯片）100%的電能通過芯片，轉化成99%以上的熱能（和一小部分電磁波，可以忽略不計），同時完成瞭計算的任務。計算，無論是處理數據信息還是完成計算，都是將虛擬世界的生產資料變得有序，因此可以視為一個以電能為輸入，熱能為輸出的熵減活動。隻要是計算，就一定會消耗對應的能量，通過計算，物理世界的能量等生產資料與虛擬世界的數據信息等生產資料實現瞭真正的關聯，甚至我們可以宏觀的認為，每一次計算的結果，都是物理世界的能量在虛擬世界的映射。

2. 芯片是高性能計算的發動機

從第三次科技革命到今天，生產資料的積累維度已經從之前的物理世界延伸到瞭虛擬世界，對應如此巨大的生產資料，需要非常強大的計算能力完成處理任務，相應也需要同等量級的能源作為輸入，高性能計算芯片就是核心角色。

隨著計算任務的指數級增長，芯片從性能和數量兩個維度上快速迭代進化，單個芯片的性能越來越強大，功耗越來越低，芯片總量越來越大總功耗越來越高。可以預見的是，未來大量的計算需求，會帶來芯片產業的爆發式增長，也會帶動為計算提供能源服務的相關產業爆發式增長。把芯片比作發動機，電力就像燃料，有多少燃料就能跑多遠的路，給多少的電就能完成相應數量的計算任務。

3. 高性能計算都是以能源為本位的POW

拋開比特幣挖礦，以全局視角看待高性能計算產業，這是一個以電力為生產資料和主要生產成本的行業，因此這也是一個以能源為本位的行業。在這裡我們再看Proof of work機制，這裡的work在比特幣挖礦機制中被定義為“工作量”，然而work本身就是物理學做功的概念，因此我們完全可以把計算定義為電力做功的一類行為活動，所以從這個角度上看所有的高性能計算都可以認為是proof of work機制。

4. 能源是歷次科技革命的源動力

回顧歷次科技革命，第一次工業革命的蒸汽，第二次工業革命的電力，第三次科技革命的原子能和信息技術，都是在能源變革後取得瞭生產力的快速進步。第四次科技革命會有天量的數字生產資料需要高性能計算處理，也許這就是第四次科技革命的核心，即以能源為本位的高性能計算帶來數字資產生產資料的大規模價值化。這樣看來，能源依舊是第四次科技革命的源動力。

如果把每一次科技革命視作一個周期，那麼在周期內的生產活動更多的是需求決定供給，即能源和生產力已經實現瞭突破，由市場需求來決定到底需要多少生產力的供給，並且不斷的優化生產力的成本（即能源成本）；而在周期變革的階段，由於生產力的快速突破和能源量級的快速提升，大大地解放瞭原有的生產力束縛降低瞭生產成本，所以這一階段是供給決定需求。

算能——第四次科技革命

1. 計算產業的核心——算能

在物理學中，力和做功的關系可以用E=a*F*t來簡化表示，那麼如何表示計算能力呢？直接的表示方法是定義每秒完成計算的次數或者能力，例如目前比特幣礦機的算力在幾十T/s，但是這樣的表示方法並不能看到算力與能量之間的直接關系。計算是一個熵減的過程，一定需要消耗能量，要有能量的輸入，而算力是一個瞬間的狀態，不能表示整個計算這個熵減過程所產生過的結果。

那如何去評估計算所帶來的結果？類似物理學中動力與動能的關系和定義，我們將算力在一段時間內完成任務的能量定義為算能。如果把計算這件事近似看作是芯片消耗電能完成計算的過程，從熱力學第一定律能量守恒的角度出發，那麼我們就可以用電能的消耗來間接表示算能，因此算能就等於計算所消耗的電能總和。

在實際過程中，以一臺用於計算的設備為單位來研究，其中電能絕大部分用於芯片和其他電器元件的計算，但還有一部分是用於散熱等周邊服務來維護芯片的穩定工作狀態。因此要想提高電能的利用率來提高算能，就要盡可能減少非計算工作對電力的消耗。

與此同時，除瞭提高電能的利用率，還要提高算能效率，即從降低算力成本和提高算力收入來入手。宏觀來看，想提高算能效率，就要降低電力成本和芯片的功耗比，提升芯片的處理能力。這件事從計算產業的第一天起就在不斷發生，芯片不斷采用更先進的技術和制程來降低功耗，數據中心在不斷尋找更廉價的電力和降低總耗電量的途徑。

2. 算能驅動能源的變革

由於計算產業與電能消耗緊密聯系，所以計算產業的發展會為能源產業帶來三個主要變化：1. 用於計算的能源總量和占比快速增長。2. 更低成本更加穩定的能源將在計算產業所需的能源品類中占比越來越大。3. 更多種類的能源資源將向轉變為電力的方向靠攏。

目前計算耗電量占全球總耗電量的5%-8%，由於計算需求會是指數級增長，因此計算耗電量的增長也會呈現指數級態勢。但是到一定規模之後，就要開始考慮電力需求市場的重新調配，原本低產值的耗電產業的電力將會轉向高產值的計算產業。此後存量電力市場的調配不能滿足全球電力的需求時，更多的一次能源將會投入到發電來帶動更快速的電力增量市場的增長。

能源成本一直都是人類社會發展的核心命題，從宏觀的角度，算能需求的增長會帶來電能需求的指數級增長，因此更多的廉價甚至是閑置電力將被利用起來，同時更多的天然氣、煤炭等一次能源將會集中轉變成電力來為計算產業服務。

3. 算能驅動金融的變革

由於算能的大幅度提升，對數字生產資料的處理能力大幅提升，金融產業通過與計算產業的結合使得效率大幅度提升成本大幅下降，因此金融產業也會向這個方向不斷進化：通過互聯網和先進技術來降低金融產業的信任成本、流通成本、交易成本，同時也反向推動計算需求的不斷增長。計算能力將從各個維度滲透到傳統金融行業，這更像是一種賦能的過程，不是簡單的互聯網金融，而是算能金融、智慧金融。

4. 算能驅動科技的變革

算能本身也是依靠科技進步不斷進化的，5nm甚至3nm制程將會帶來更低功耗的高性能芯片，新材料的研發將會帶來更好的散熱效果。與此同時隨著5G、AI的快速普及，物聯網和邊緣計算的依靠算能的賦能開始凸顯價值，科技將推動每一個傳統產品都將具備數據獲取和計算能力，這些計算能力又會進一步推動算能的發展和進化。

算能，未來有可能成為國傢的核心競爭力，算能需求的增長會帶來相關產業的快速增長，近來被資本熱捧的芯片產業，作為國傢的核心戰略，會在相當長的時間內得到更多的資源傾斜和快速發展的機會，並帶動芯片周邊產業以及算能服務產業的快速發展。

正如互聯網推動電子商務的發展壯大，催生出包括阿裡巴巴、亞馬遜這樣服務於電子商務需求的巨頭企業，同樣算能需求的快速增長和芯片產業的快速發展，也會為未來可能誕生的算能服務巨頭奠定堅實的基礎。