0  引言

隨著5G、人工智能、等新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新平臺的蓬勃興起，自動駕駛、人臉識別、智能制造等各類新興業(yè)務(wù)對算力提出了靈活便捷、按需匹配的新要求。另外，“東數(shù)西算”工程在開啟我國算力資源全國范圍統(tǒng)籌布局新篇章的同時也提出了實現(xiàn)算力資源跨區(qū)域調(diào)度的核心挑戰(zhàn)。算力調(diào)度通過智能分配策略實現(xiàn)算力的靈活流動，能夠解決我國算力需求與資源分布不均的矛盾，快速滿足上層應(yīng)用多樣化的算力需求，助推我國數(shù)字經(jīng)濟進入普惠共享的新階段。

1  我國算力調(diào)度的發(fā)展探索

1.1  算力調(diào)度的部署要求

我國高度重視算力產(chǎn)業(yè)發(fā)展，為優(yōu)化算力資源供給，提升整體算力服務(wù)水平，已發(fā)布多項有關(guān)算力調(diào)度的政策文件。《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》明確指出，要“加快構(gòu)建全國一體化大體系，強化算力統(tǒng)籌智能調(diào)度”[1]。《新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展三年行動計劃（2021—2023年）》明確了要形成布局合理、技術(shù)先進、綠色低碳、算力規(guī)模與數(shù)字經(jīng)濟增長相適應(yīng)的新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展格局，同時指出要完善公共算力資源供給，優(yōu)化算力服務(wù)體系，提升算力服務(wù)調(diào)度能力[2]。《“十四五”信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》指出，要提高網(wǎng)絡(luò)資源智能化調(diào)度能力和資源利用效能，并首次明確提出了加強跨地域、跨行業(yè)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)的重點任務(wù)[3]。2022年2月，國家全面啟動“東數(shù)西算”工程，建設(shè)京津冀、長三角、粵港澳大灣區(qū)、成渝、內(nèi)蒙古、貴州、甘肅、寧夏八大全國一體化算力網(wǎng)絡(luò)國家樞紐節(jié)點，同時規(guī)劃了十個國家[4]。打通東西部算力資源、實現(xiàn)東西部算力協(xié)同，離不開區(qū)域間的靈活調(diào)度。

1.2  算力網(wǎng)絡(luò)發(fā)展探索

在國家政策與產(chǎn)業(yè)需求的雙重驅(qū)動下，作為算力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的中堅力量，國內(nèi)三大運營商紛紛加大對算力網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的技術(shù)研發(fā)投入和發(fā)展路徑探索。中國移動通信集團有限公司在2018年就開始了關(guān)于算力感知網(wǎng)絡(luò)（Computing-Aware Networking，CAN）的研究，基于CAN的概念，從度量、協(xié)議、架構(gòu)等不同層面協(xié)同演進，構(gòu)建面向算網(wǎng)一體化的新型基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，目前已經(jīng)完成了多個移動邊緣計算站點的CAN部署，驗證了CAN調(diào)度系統(tǒng)既能實現(xiàn)最優(yōu)的系統(tǒng)資源利用率，又能實現(xiàn)最佳的用戶體驗[5]。2020年，中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團有限公司研究院發(fā)布了《算力網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與技術(shù)體系白皮書》，基于云網(wǎng)融合領(lǐng)域的不斷發(fā)展，制定了集算網(wǎng)控制、編排、管理、轉(zhuǎn)發(fā)等功能于一體的算力網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，該架構(gòu)能夠最大限度兼容目前發(fā)展中的軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software-Defined Networking，SDN）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）技術(shù)路線，同時實現(xiàn)算力資源提供方、服務(wù)提供方及業(yè)務(wù)消費方不同角色的個性化服務(wù)[6]。中國電信集團有限公司遵循“網(wǎng)是基礎(chǔ)，云為核心，網(wǎng)隨云動，云網(wǎng)一體”的十六字原則，提出云網(wǎng)融合目標技術(shù)架構(gòu)。該架構(gòu)引入云原生、安全、人工智能（Artificial Intelligence，AI）和大數(shù)據(jù)等技術(shù)要素，通過基礎(chǔ)設(shè)施層、云網(wǎng)大腦、云網(wǎng)操作系統(tǒng)和應(yīng)用平臺實現(xiàn)云網(wǎng)邊端智能協(xié)同、各類資源融合調(diào)度的發(fā)展愿景[7]。算力網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展目標是將算力打造成為隨用隨取的公共服務(wù)，算力調(diào)度作為算力網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，是解決我國東西部算力結(jié)構(gòu)不均衡、算力供需不平衡、算網(wǎng)協(xié)同性不強等問題的重要途徑，因此，筆者將對算力調(diào)度涉及的關(guān)鍵技術(shù)以及整體實施路徑作扼要的介紹和討論。

2  算力調(diào)度體系架構(gòu)

算力調(diào)度是解決算力供需矛盾、算力網(wǎng)絡(luò)傳輸問題、算力資源普惠問題的新型能力體系。算力調(diào)度根據(jù)算力資源提供方的供給能力和應(yīng)用需求方的動態(tài)資源需求，整合區(qū)域內(nèi)算力基礎(chǔ)設(shè)施底層的計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等多維資源，基于算力調(diào)度平臺對算力資源進行一致性管理、一體化編排和統(tǒng)一調(diào)度，實現(xiàn)跨行業(yè)、跨地區(qū)、跨層級的算力資源的協(xié)同聯(lián)動與精準匹配。算力調(diào)度涉及的關(guān)鍵環(huán)節(jié)從底層到上層主要有基礎(chǔ)設(shè)施層、管理編排層、服務(wù)運營層、算力應(yīng)用層，另外還包括標準規(guī)范體系，如圖1所示。

圖1   算力調(diào)度涉及的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

基礎(chǔ)設(shè)施層：奠定算力調(diào)度基礎(chǔ)能力的重要底座。該層利用現(xiàn)有的算力基礎(chǔ)設(shè)施、通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施提供算力資源，充分聚合計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)三大資源，向算力調(diào)度平臺提供池化資源能力；融合算力和網(wǎng)絡(luò)等方面的創(chuàng)新技術(shù)，例如異構(gòu)計算、算力卸載、存算一體以及光傳送網(wǎng)（Optical Transport Network，OTN）等技術(shù)，以提供多元資源服務(wù)和實現(xiàn)最佳網(wǎng)絡(luò)連接。

管理編排層：實現(xiàn)算力調(diào)度的“算網(wǎng)大腦”。該層負責全網(wǎng)算力資源的統(tǒng)一管控和智能編排。該層主要基于對全網(wǎng)算力資源的全面感知，利用算力解構(gòu)技術(shù)解耦底層算力資源與上層業(yè)務(wù)需求之間的邏輯關(guān)系，進而通過博弈算法和智能優(yōu)化算法選擇最優(yōu)的調(diào)度路徑，同時根據(jù)算力資源的實時變化進行動態(tài)算力調(diào)整，實現(xiàn)整體算力資源的靈活部署與動態(tài)匹配。

服務(wù)運營層：對接算力資源提供方與資源應(yīng)用需求方的重要“中間管家”，管理算力服務(wù)的運營過程。該層主要提供算力注冊、身份認證、服務(wù)申請、產(chǎn)品定義、服務(wù)計費和服務(wù)結(jié)算等算力交易相關(guān)的場景，基于區(qū)塊鏈等去中心化技術(shù)實現(xiàn)分布式賬本、匿名交易、訂單溯源，為客戶提供云、算、網(wǎng)資源隨用隨取、便捷高效、安全可信的一站式服務(wù)。

算力應(yīng)用層：向各行業(yè)多重應(yīng)用場景釋放多樣化算力服務(wù)。該層面向個人客戶、企業(yè)客戶、政府客戶等不同群體不同場景的算力業(yè)務(wù)需求，為金融科技、人工智能、智能制造、生物醫(yī)藥、科創(chuàng)研發(fā)、智慧城市等領(lǐng)域的實際需求提供算力服務(wù)，例如數(shù)據(jù)分析、狀態(tài)推理、視頻解析、模型訓練、路徑規(guī)劃、圖像渲染等。通過算力服務(wù)在不同領(lǐng)域的流通共享，推動算力資源與業(yè)務(wù)場景的深度融合以及算力調(diào)度在橫向和垂直領(lǐng)域的拓展與延伸。

標準規(guī)范體系：實現(xiàn)算力服務(wù)有序發(fā)展的重要保障。該體系主要包括算力評估標準建設(shè)、綠色技術(shù)應(yīng)用保障、商業(yè)模式運行機制、算力安全防護保障等。統(tǒng)一的算力調(diào)度標準規(guī)范體系一方面能夠為算力服務(wù)的高效發(fā)展提供安全可靠的機制保障；另一方面，能夠屏蔽廠商和地域差異，強化產(chǎn)業(yè)鏈各方整體協(xié)同，形成算力網(wǎng)絡(luò)強大的生態(tài)合力，為千行百業(yè)提供“開放、融合、綠色、安全、普惠”的算力服務(wù)。

3  算力調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)

3.1  算力感知算力感知是實現(xiàn)算力調(diào)度的基礎(chǔ)，通過感知全網(wǎng)的算力資源信息，保證按需、實時調(diào)度不同位置的算力資源。算力感知既包括對算力提供方的計算、存儲、通信、服務(wù)等不同類型資源與服務(wù)的感知，也包括對算力需求方業(yè)務(wù)需求信息的全面感知。無處不在的網(wǎng)絡(luò)連接分布式算力節(jié)點是實現(xiàn)算力感知的關(guān)鍵，算力節(jié)點能夠主動將感知到的算力特性（如中央處理器（Central Processing Unit，CPU）/圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU）的處理能力、負載信息、部署位置等）、算力服務(wù)信息（如服務(wù)類型、服務(wù)時長等）、網(wǎng)絡(luò)指標（如時延、流量、丟包等）等要素上報至算力感知中心，反之，算力感知中心也能主動查詢算力節(jié)點的各類性能[8]。由于算力資源是動態(tài)變化的，因此算力感知中心還需要測量不同算力節(jié)點間的時延和路徑信息，以便于對算力資源的調(diào)配進行實時處理。未來，可以依托AI技術(shù)，利用AI流量預測模型結(jié)合AI深度神經(jīng)算法學習算力應(yīng)用狀態(tài)，及時預測算力節(jié)點資源信息的變化情況，從而提升全網(wǎng)的資源配置速度和利用效率[9]。

3.2  算力度量統(tǒng)一的算力度量標準是實現(xiàn)靈活調(diào)度多元異構(gòu)算力資源的前提，但算力與水力、電力等能源不同，算力資源的復雜性決定了難以通過單一維度來量化算力，算力資源的復雜性主要體現(xiàn)在三個方面。第一，由CPU、GPU、現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）、專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）等多種計算單元組成的異構(gòu)處理體系難以進行標準化的統(tǒng)一；第二，除了計算單元，算力資源還包括網(wǎng)絡(luò)、存儲等多維資源，需要從多個維度進行算力資源的建模和評估；第三，不同行業(yè)、不同企業(yè)、不同場景對算力資源類型和需求量的要求存在較大差異，用戶很難精準把握需要多少算力[10]。因此，業(yè)界亟需建立統(tǒng)一的標準將算力業(yè)務(wù)需求量化以提供更好的服務(wù)。確定算力資源模型是建立算力度量標準的關(guān)鍵。主流的思路是從業(yè)務(wù)場景維度出發(fā)，將總體的算力資源統(tǒng)一表達為包含計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲等多維度資源在內(nèi)的綜合模型。首先將通用算力、智能算力和超算算力三種不同的計算類型按照邏輯運算能力、并行計算能力、神經(jīng)計算能力的維度進行分類，將計算能力表達為匹配不同比例系數(shù)的三種計算能力之和，即：公式(1)中，Ø表示計算能力；A表示邏輯運算能力；B表示并行計算能力；C表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算能力；α，β，γ表示比例系數(shù)。

進而用與計算能力、存力、算法、路由和算效相關(guān)的數(shù)學模型來表示總的算力資源。總的算力資源可如下表示：

公式(2)中，φ表示算力資源；Ø表示計算能力；T表示存力；X表示算法，包括算法類型和復雜度等；P表示路由，包含路由協(xié)議、協(xié)議配置等信息；θ表示算效，用于算力配置策略驗證。

最終基于以上模型，結(jié)合用戶位置、業(yè)務(wù)需求等關(guān)鍵信息，對外生成面向用戶的算力資源視圖，對內(nèi)生成算力資源清單和初始配置策略[11]。

3.3  算力路由

算力路由將算力節(jié)點收集的算力資源信息進行整合，生成包含網(wǎng)絡(luò)和計算參數(shù)信息的新型路由表，從用戶的實際業(yè)務(wù)需求出發(fā)，進行算力任務(wù)動態(tài)匹配和連接調(diào)度，實現(xiàn)用戶體驗最優(yōu)、計算資源利用率最優(yōu)、網(wǎng)絡(luò)效率最優(yōu)、調(diào)度路徑最優(yōu)。現(xiàn)有的路由部署策略以集中式為主，將調(diào)度問題視作一個整體，基于SDN和NFV網(wǎng)絡(luò)控制器將調(diào)度信息統(tǒng)一呈現(xiàn)給用戶，但集中式解決方案已無法滿足新型應(yīng)用實時性的需求。計算優(yōu)先網(wǎng)絡(luò)作為一種分布式路由協(xié)議，將算力節(jié)點的計算狀況和網(wǎng)絡(luò)狀況作為路由信息發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)基于虛擬的服務(wù)身份識別號（Identity Document，ID）將計算任務(wù)報文路由到最合適的計算節(jié)點。在算力資源多樣性的網(wǎng)絡(luò)中，基于算力和算法動態(tài)調(diào)度計算資源，精確地完成算力調(diào)度，保證優(yōu)質(zhì)的用戶體驗[10]。

3.4  算網(wǎng)編排

算網(wǎng)編排是算網(wǎng)大腦的核心控制部分，算網(wǎng)編排技術(shù)基于算、網(wǎng)、數(shù)的原子能力按需靈活組合，完成復雜多元的算力業(yè)務(wù)的路徑編排，并通過網(wǎng)絡(luò)控制器進行算力路由選擇與轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)算網(wǎng)業(yè)務(wù)的統(tǒng)一編排、部署和保障。算網(wǎng)編排具備云原生編排能力、多量綱的編排能力以及運行態(tài)的編排能力[10]。云原生編排指應(yīng)用程序無需進行復雜的適配性改造，由算網(wǎng)大腦提供通用性編排框架，實現(xiàn)應(yīng)用程序的自動、靈活、敏捷部署及擴縮容編排。多量綱的編排指通過多屬性決策算法，對算網(wǎng)資源中的成本、安全、能耗等多量綱進行實時業(yè)務(wù)編排，為用戶編排多種解決方案。運行態(tài)編排指根據(jù)算網(wǎng)資源實時狀態(tài)變化，由動態(tài)編排引擎根據(jù)業(yè)務(wù)特性進行動態(tài)拼裝，形成新的流程模板最終交回業(yè)務(wù)調(diào)度引擎，實現(xiàn)流程的動態(tài)調(diào)度和運行。未來，可在現(xiàn)有的編排技術(shù)基礎(chǔ)上利用人工智能技術(shù)，通過機器學習實現(xiàn)對歷史運行數(shù)據(jù)的學習和分析，進一步豐富調(diào)度策略、校正調(diào)度精度。

3.5  算力交易

算力交易是指算力提供方與算力需求方通過算力交易平臺進行資源交易的新型商業(yè)模式。算力交易平臺作為算力買方與賣方的中間角色，基于“身份、協(xié)議、訂單、賬單、傭金”等方面的可信交易體系，根據(jù)用戶的差異化需求，實現(xiàn)智能、公平、泛在、可溯、可信的算力交易。但由于算力資源種類繁多且由多方共建，總體呈現(xiàn)多維異構(gòu)、多級泛在、歸屬復雜的特點，想要實現(xiàn)高效的算力交易需要解決算力并網(wǎng)問題、算力感知問題、多方交易公平問題、多方算網(wǎng)激勵問題、可信算力交易問題五大問題[8]。需要從算效、時延、綠碳、安全等多維度分類分級制定算力產(chǎn)品價格體系，基于多維感知精準解析實際業(yè)務(wù)需求并通過優(yōu)化算法匹配出最合適的算力供給方。此外，可以利用去中心化的分布式、可信區(qū)塊鏈技術(shù)，實現(xiàn)對多方閑散算力資源的整合以及統(tǒng)一運營管理。

4  算力調(diào)度實施路徑

4.1  整合多元異構(gòu)資源

針對算力資源多元化、異構(gòu)化的特點，首先需要統(tǒng)一底層算力資源度量標準，對衡量計算能力的CPU、GPU、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器等異構(gòu)處理單元進行標準化的統(tǒng)一，構(gòu)建對于計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等不同類型算力資源的度量模型，同時需要綜合考慮安全、成本、能效等服務(wù)指標，形成統(tǒng)一的上層應(yīng)用資源評估標準，以滿足不同應(yīng)用場景的適配要求。在此基礎(chǔ)上，摸清算力調(diào)度區(qū)域已建和在建的算力基礎(chǔ)設(shè)施及算力資源輸出能力，形成區(qū)域算力資源清單。將歸屬不同所有方的閑置資源整合起來，基于技術(shù)屏蔽底層異構(gòu)算力的差異性，為上層應(yīng)用提供無差別的服務(wù)能力[12]。

4.2  搭建算力調(diào)度平臺

算力調(diào)度平臺集實時感知、供需匹配、智能調(diào)度、服務(wù)運營、監(jiān)測管理等多種功能于一體，是實現(xiàn)算力資源靈活流通的重要“關(guān)口”，算力平臺的搭建重點包括兩個方面：一是基于算力感知、算網(wǎng)編排、算力路由等技術(shù)構(gòu)建算網(wǎng)大腦，針對算力業(yè)務(wù)需求，根據(jù)全域?qū)崟r的算、網(wǎng)、數(shù)資源以及云、邊、端分布情況，靈活、動態(tài)地計算最優(yōu)協(xié)同策略與調(diào)度路徑，實現(xiàn)算力資源跨行業(yè)、跨區(qū)域、跨層級的融合編排；二是引入?yún)^(qū)塊鏈等技術(shù)構(gòu)建算力運營門戶，為算力資源提供方和算力資源需求方搭建交易服務(wù)的橋梁，實現(xiàn)算力服務(wù)統(tǒng)一交易和售賣，與算網(wǎng)大腦協(xié)同，打通算力交易全生命周期各環(huán)節(jié)，滿足算力交易多方參與者的業(yè)務(wù)需求，提供算力產(chǎn)品一體化供給和一站式服務(wù)。

4.3  建立標準規(guī)范體系

算力調(diào)度的標準規(guī)范體系是實現(xiàn)算力服務(wù)有序發(fā)展的基礎(chǔ)保障，重點包括算力交易、算力管理、算力安全等方面的規(guī)則機制。算力交易主要涉及產(chǎn)品定價規(guī)則、自動結(jié)算機制、算力交易賬本、交易各方的權(quán)利和義務(wù)以及可信、可溯、可評價的算力服務(wù)機制，需探索新的算力業(yè)務(wù)形態(tài)下全新的算力商業(yè)體制。算力管理涉及多方閑散算力接入、合作分成、業(yè)務(wù)訂單管理、服務(wù)進度管理以及服務(wù)運維等方面的規(guī)則。算力安全主要涉及多源、泛在的算力節(jié)點進行計算時所面臨的網(wǎng)絡(luò)攻擊和數(shù)據(jù)隱私泄露等安全風險，以及算力交易參與方面臨的信息泄露隱患等，需建立安全可控的信息網(wǎng)絡(luò)軟硬件系統(tǒng)安全保障體系，實現(xiàn)智能化的威脅預警、風險分析、自動處理等功能，全力提升信息網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測預警能力和應(yīng)急處置水平。算力調(diào)度標準規(guī)范體系的構(gòu)建需要算力提供方、需求方和產(chǎn)業(yè)上下游協(xié)同合作，共同開展算力納管、交易、安全等多方面的標準研究與規(guī)則制定，促進算力調(diào)度的良性發(fā)展。

5  結(jié)束語

盡管目前在算力調(diào)度技術(shù)思想、系統(tǒng)開發(fā)、案例應(yīng)用等方面已經(jīng)取得了一定進展，但算力調(diào)度仍然面臨諸多挑戰(zhàn)，如異構(gòu)算力的度量問題、算力服務(wù)的商業(yè)模式問題、標準化體系建設(shè)問題。想要攻克此類問題需要從三個方面入手。一是加快標準體系建設(shè)。業(yè)界研究機構(gòu)、標準組織與算力相關(guān)企業(yè)應(yīng)加快產(chǎn)學研深度融合，一方面，加快建立統(tǒng)一的描述語言，實現(xiàn)業(yè)界認可的算力度量標準；另一方面，探索建立能夠平衡算力提供方、算力需求方、調(diào)度平臺運營方等各方需求的商業(yè)創(chuàng)新模式，推動算力市場的規(guī)范化發(fā)展。二是強化政策支撐。算力調(diào)度涉及領(lǐng)域復雜繁多，亟需統(tǒng)一發(fā)展路線，形成行業(yè)共識；同時，要加大對于產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新平臺與重大應(yīng)用示范在資金、人才等方面的支持力度，充分調(diào)動市場積極性。三是完善產(chǎn)業(yè)生態(tài)。以建促用，鼓勵軟硬件廠商開展跨層合作，提供滿足不同場景的解決方案，通過算力產(chǎn)業(yè)上下游的協(xié)同聯(lián)動打造全產(chǎn)業(yè)、多行業(yè)共創(chuàng)、共享、共贏的算力生態(tài)。