原文發表于《科技導報》2025年第 9 期 《 算力網絡架構的演進與創新 》

隨著數字經濟的快速發展，算力網絡有望成為新一代信息基礎設施，其對于發展“新質生產力” 的重要性日益凸顯。《科技導報》邀請北京交通大學電子信息工程學院張宏科院士團隊梳理并調研了算力網絡的發展需求與現狀、發展趨勢、關鍵問題與挑戰及應用示范驗證。研究發現，算力網絡呈現出多元泛在、智能敏捷、安全可靠、綠色低碳等特征。但當前仍處于起步階段，在技術體系和工作機制方面尚未達成共識。因此建議從國家、行業和技術層面加快頂層設計和標準制定、推進關鍵技術研發、構建綠色產業生態等。

在數字經濟時代，計算資源的需求呈現出爆炸式增長趨勢，傳統的計算基礎設施難以滿足日益復雜多樣的應用需求。為了應對這一挑戰，算力網絡應運而生，成為下一代信息基礎設施的重要支撐。

算力網絡之所以成為當前新型網絡領域的研究熱點，其主要原因：首先，算力網絡能夠有效解決計算資源分布不均、利用率低下的問題；其次，算力網絡能夠支持邊緣計算、云計算等新型計算模式的協同發展；最后，算力網絡為實現計算資源的智能調度和優化配置提供了新的可能性。

從不同角度來看，算力網絡呈現出多維度的特征。（1）網絡視角：算力網絡是一種承載于IP網絡之上的新網絡形態。（2）算力視角：算力網絡以算力為中心，構建了一個多樣化的算力資源調度和服務體系。（3）技術視角：算力網絡融合了多種新興技術，涵蓋光傳輸、網絡虛擬化、算力管理與交易、算網業務調度和編排等多個領域。（4）服務視角：算力網絡將實現無感計算，使用戶能夠脫離底層技術細節，體驗便捷、高效的計算服務。算力網絡通過網絡化調度和分配計算資源，突破了傳統計算模式的局限，為數字經濟時代的多元化需求提供了創新性解決方案。

隨著中國加速推進數字經濟戰略，算力網絡的重要性日益凸顯，標志著信息技術基礎設施正在經歷深刻變革。算力網絡作為中國率先提出的創新型網絡架構，不僅代表了新一代網絡技術從單純的數據通信向智能化處理的轉變，還體現了計算、存儲和傳輸資源的深度融合。在此背景下，建設全國一體化的算力網絡，推動算力基礎設施化已成為衡量國家現代化水平的重要指標，也是應對急劇增長的算力需求、優化傳統計算資源并重塑數字經濟時代關鍵基礎設施的必然選擇。

01

算力網絡需求與發展現狀

面對傳統網絡體系的局限性，算力網絡的必要性逐漸顯現，產業對算力網絡的需求也日益增長，已成為全球網絡領域的研究熱點和國內重大戰略規劃的一部分，在國內外受到廣泛關注和政策與技術支持。

美國制定了《引領未來先進計算生態系統戰略計劃》，構建覆蓋政產學研的國家級算力體系；自然科學基金委員會啟動了USIgnite等計劃，旨在為未來互聯網研究提供大規模、復雜網絡的實驗平臺；歐盟則通過Horizon 2020計劃、Horizon 2020?Secure societies計劃和“2030數字指南針”計劃為75%的歐盟企業提供大數據和人工智能云服務，對算力網絡展開深入研究。工業和信息化部等6部門發布《算力基礎設施高質量發展行動計劃》，提到“智能算力占比達到35%，東西部算力平衡協調發展”“骨干網、城域網的創新技術使用占比達到40%”。2022年，鵬城實驗室提出了“中國算力網—智算網絡”計劃，展望了國家級算力網絡的發展愿景。

算力網絡的發展也受到了中國電信運營商的高度重視，3大運營商的研究成果入選了中國通信學會2021年網絡5.0領先創新科技成果，開啟了對算力互聯、算網協同等方向的探索，發布了一系列相關概念和白皮書。在標準化方面，中國在國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）和國際互聯網工程任務組（Internet Engineering Task Force，IETF）等國際組織中取得了顯著成果，推動了多項算力網絡相關標準的制定。這些努力共同構成了算力網絡蓬勃發展的現狀，反映了其在全球信息技術領域的重要地位和廣闊前景。

02

算力網絡發展趨勢

當前，算力網絡盡管處于發展初期，但其發展趨勢已呈現出明確方向。其未來發展軌跡主要聚焦于4個核心維度，即架構優化、能效提升、安全強化及智能化升級。

2.1

算力網絡化

計算資源的分布正在從集中式向多層次演進，其中邊緣計算和終端計算等新興計算模式的興起，與大規模集中式計算形成了互補格局，共同成為各行業數字化轉型的關鍵支撐（圖1）。

圖1 算力網絡發展趨勢

在算網深度融合的新階段，計算節點與無處不在的網絡連接緊密結合，形成了一種靈活多變的資源供給模式。計算與網絡基礎設施的深度融合，為各類應用場景提供了更加靈活和高效的資源支持，算力提高網絡綜合性能，網絡提升算力調度效率，“網算、算網”一體深度融合，優化互補。

2.2

算力綠色化

在未來網絡中，算力需求將爆發式增長，數據中心的能耗問題日益突出。這不僅帶來了巨大的電力消耗，也對環境保護和可持續發展提出了嚴峻挑戰。如何提高能源利用效率，降低算力網絡的使用成本，成為算力網絡大規模部署和應用推廣過程中的關鍵課題，特別是在國家努力實現“雙碳”目標的背景下，以數據中心為代表的算力資源節能降耗更是成為了社會關注的焦點。

2.3

算力可信化

算力網絡的興起將帶來數據使用模式的根本性變革，從傳統的集中式、統一化管理轉向了所有權與使用權分離的模式，這種轉變帶來了一系列安全挑戰。首先，數據所有權方面臨著監管難度增加的問題，在復雜的數據使用環境中，違規行為和隱私竊取的風險顯著增加。其次，云邊端多級算力網絡的構建模糊了傳統的安全邊界，擴大了網絡的暴露面。為應對這些安全威脅，業界正在探索構建以身份認證為基礎的零信任安全體系。這一體系旨在實現網絡“不被控”、攻擊“不可達”和隱身“不可知”的安全目標，推動安全防護從單點可控向云邊端全面可信演進。

2.4

算力智能化

AI技術顯著提升了算力服務的智能化水平，在異構算力融合、算力虛擬化、智能調度和混合計算加速等方面發揮著重要作用。這些進展使得算力資源的管理和利用更加靈活高效，能夠更好地適應不同場景的需求。未來的算力設施將更加智能化，能夠根據需求自主調整和優化，實現“隨愿自治”的運行模式。這不僅提高了資源利用效率，也為各行各業的智能化轉型提供了有力支撐。

03

算力網絡面臨的關鍵問題與挑戰

我們分別從網絡、用戶、管理3個層面闡述算力網絡面臨的關鍵問題與挑戰，如圖2所示。

圖2 算力網絡面臨的關鍵問題與挑戰

3.1

網絡基礎理論

在網絡層面，算力網絡的應用面臨的首要挑戰是如何有效評估、量化和編排日益復雜的異構網絡資源。算力網絡的首要任務是建立一套統一的算力評估和量化編排體系，這個體系需要能夠準確捕捉不同異構網絡的算力資源的特性和能力。然而，建立這樣一個統一的度量體系面臨諸多挑戰。首先，不同類型的算力資源，如CPU（中央處理器）、GPU（圖形處理單元）、FPGA（現場可編程門陣列）等，有著不同的性能特征，難以用單一標準衡量。其次，算力資源的地理分布和網絡連接狀況也會影響其實際可用性和性能。此外，不同業務對算力的需求也各不相同，如何建立一個能夠適應多樣化需求的編排機制也是一個復雜問題。

在基礎理論層面，新型算力網絡的體系結構、工作原理仍未統一。算力網絡架構包含“三層”和“三域”2個維度。“三層”“三域”架構反映了算力網絡與新型網絡研究相輔相成、相互促進的特點，為解決現有網絡設計體制差異大、深度融合受限等問題提供了新的思路，推動了融合網絡技術的進步。

3.2

用戶核心技術

在用戶層面，算力網絡的目標是實現用戶與網絡的“解耦分離”，即算力資源的即時接入和使用，這需要研究多維統一標識技術，設計“實體、感控、知識”解耦機制，融入算力資源，構建動態解析映射，橫向“三域”結構。

同時，在對算力資源完成精細量化后，就要完成算力資源的調度，即解決“在哪算”的問題。算力網絡的發展對路由決策能力提出了新的挑戰，在算力網絡環境中，有效調度用戶業務流量至適當的算力資源池成為關鍵。這要求網絡具備基于算力負載均衡進行精確路由計算的能力，而非僅依賴傳統的鏈路基礎度量值。

為應對這一挑戰，產業界引入了多種算力和網絡信息的度量方式，包括CPU、GPU、FPGA等算力指標，以及帶寬、時延等網絡性能指標。這種機制的引入使得路由決策能夠更全面地考慮網絡和算力資源的狀態，從而為不同類型的業務需求提供更精確、更優化的路徑選擇。

3.3

交易管理平臺

在管理層面，需要研究用戶、網絡、應用等異構資源統一管控和協同技術，解決現有網絡和算力基礎設施資源的“煙囪式”獨立管理問題，特別是用戶與算力網絡之間的交易，構建高效、透明、可信的算力交易平臺成為核心問題，區塊鏈技術為解決這一問題提供了可行方案。在此基礎上，算力交易平臺作為承上啟下的關鍵角色，可以歸一化各種形態的計算資源，并與不同的操作系統和平臺對接。

04

應用示范驗證

目前，算力網絡初步實施方案旨在實現算力資源與網絡深度融合。初步方案融合了異構網絡環境，包括有線公共傳輸通道、4G/5G 無線網絡及衛星網絡，構建了一個多層次、全方位的算力資源調度體系。這種方案不僅促進計算資源的優化配置，還為未來大規模分布式計算、邊緣計算，以及人工智能應用的部署奠定了基礎。

新型算力網絡的遠景實施方案與初步實施方案相比，是核心技術原始創新、兼容替代、功能性能領先的新型基礎設施。實現了衛星通信、超級計算、數據中心，以及多代移動通信網絡等多元化網絡資源的無縫整合，為實現跨網絡協同、智能化資源調度和高效應用部署提供了更為強大的基礎。

05

算力網絡發展建議

5.1

國家戰略實施層面

我國高度重視算力基礎設施建設，將其納入新型信息基礎設施范疇，并制定了一系列戰略規劃和政策措施。這些政策旨在構建全國一體化算力網絡，推動算力基礎設施高質量發展。

在頂層設計方面，相關部門應發揮統籌指導作用，設立專門委員會推進算力網絡關鍵技術攻關，還應增設重大科技專項，組織大規模協同研究。同時，構建“中國算力網”基礎理論及共性關鍵技術研發體系，積極引入云原生、超寬帶低時延光網、算力路由機制、算力感知流量調度方法等創新技術。通過加強頂層設計、政策引導和技術創新，中國正加速構建全國一體化算力網，以支撐數字經濟和實體經濟深度融合，推動經濟高質量發展，為實現數字中國建設目標奠定堅實基礎。

5.2

行業需求發展層面

在移動互聯網領域，數據流量消費規模的持續擴大直接反映了算力需求的增長。在企業市場，算力應用正從互聯網等傳統領域逐步向更廣泛的行業拓展。不只是傳統的電信和金融行業，未來的交通、醫療、游戲等諸多行業，也將成為算力應用的主要領域，如車聯網、遠程手術、虛擬現實的應用。

針對各行業對算力網絡的發展需求，建議采取多方面的綜合措施。對于企業市場，建立行業特定的算力解決方案中心，推動云計算、大數據和人工智能技術在各行業的深度應用。在新興行業方面，加大對車聯網、遠程醫療、虛擬現實等領域的算力支持，推動5G+邊緣計算的應用。針對制造業，加快工業互聯網平臺建設，支持開發面向智能制造的算力解決方案。

5.3

核心技術攻關層面

算力網絡的發展需要通信、計算、存儲和智能化調度的高度融合，以實現算力資源的即時接入和便捷使用。在這個過程中，確定性網絡技術的引入可以有效解決算力網絡中超低時延業務的需求。因此，算力網絡與確定性網絡的融合成為關鍵。這需要在網絡層面攻克異構網絡深度融合的難題，構建統一資源調度的“一張大網”。同時，需要研究時間同步機制、資源預留機制、流量控制機制等關鍵技術，以支持確定性的超低時延傳輸。未來，確定性機制將成為算力網絡不可或缺的一部分，促進算力網絡的發展和應用生態的繁榮。

本文作者：張維庭，任家棟，張宏科

作者簡介：張維庭，北京交通大學電子信息工程學院，副教授，研究方向為新型網絡、算網融合。

文章來 源 ： 張維庭, 任家棟, 張宏科. 算力網絡架構的演進與創新[J]. 科技導報, 2025, 43(9): 24?30 .

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