■ 文/王 濤

元宇宙的技術(shù)和應(yīng)用涉及了近幾年熱門和快速發(fā)展的技術(shù)和概念，其快速發(fā)展離不開底層算力的支持，對算力形態(tài)也提出了新的要求和挑戰(zhàn)。

元宇宙是2021年科技領(lǐng)域最火爆的概念之一，它引起了各方的熱議，受到了科技企業(yè)和政府部門的青睞。元宇宙的技術(shù)和應(yīng)用涉及近幾年熱門和快速發(fā)展的技術(shù)和概念，如5G/6G通信技術(shù)、可穿戴智能設(shè)備、邊緣計(jì)算、云計(jì)算、人工智能、區(qū)塊鏈、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、數(shù)字孿生、社交網(wǎng)絡(luò)、虛擬貨幣等，既包含了復(fù)雜的技術(shù)體系，也包含了復(fù)雜的社會體系。元宇宙的快速發(fā)展離不開底層算力的支持，對算力形態(tài)也提出了新的要求和挑戰(zhàn)。

元宇宙的概念

元宇宙（Metaverse）目前還沒有國際通用的定義。元宇宙一詞最早作為一個(gè)科幻概念，出現(xiàn)在美國科幻作家尼爾·斯蒂芬森（Neal Stephenson）1992 年的小說《雪崩》中。小說中描述的元宇宙場景是“戴上耳機(jī)和目鏡，找到連接終端，就能夠以虛擬分身的方式進(jìn)入由計(jì)算機(jī)模擬、與真實(shí)世界平行的虛擬空間”。根據(jù)臉書公司（Facebook 已更名為Meta）的解釋，元宇宙是一個(gè)虛實(shí)結(jié)合的空間，其中用戶可以與計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的環(huán)境和其他用戶交互。在《韋氏詞典》中，元宇宙被定義為一個(gè)高度沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)的世界，人們可以在其中進(jìn)行社交、娛樂和工作。在維基百科中，元宇宙被描述為互聯(lián)網(wǎng)未來迭代的概念，它由持續(xù)共享的三維虛擬空間組成，這些空間連接成一個(gè)可感知的虛擬的宇宙，不僅指虛擬的世界，也包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)。其他商業(yè)公司根據(jù)自己的商業(yè)策略也提出了自己的元宇宙概念，例如，英偉達(dá)公司提出了適用于3D 設(shè)計(jì)與協(xié)作的Omniverse 平臺，微軟公司推出了混合現(xiàn)實(shí)協(xié)作平臺Mesh，騰訊公司提出了全真互聯(lián)網(wǎng)的理念，等等。中央紀(jì)委國家監(jiān)委網(wǎng)站《深度關(guān)注丨元宇宙如何改寫人類社會生活》一文指出，元宇宙是基于互聯(lián)網(wǎng)而生、與現(xiàn)實(shí)世界相互打通、平行存在的虛擬世界，是一個(gè)可以映射現(xiàn)實(shí)世界又獨(dú)立于現(xiàn)實(shí)世界的虛擬空間。它不是一家獨(dú)大的封閉宇宙，而是由無數(shù)虛擬世界、數(shù)字內(nèi)容組成的不斷碰撞、膨脹的數(shù)字宇宙。

盡管眾說紛紜，但Beamable 公司創(chuàng)始人喬·拉多夫（Jon Radoff）提出的元宇宙的七層架構(gòu)：基礎(chǔ)設(shè)施、人機(jī)交互、去中心化、空間計(jì)算、創(chuàng)作者經(jīng)濟(jì)、發(fā)現(xiàn)和體驗(yàn)，基本代表了元宇宙涉及的技術(shù)和場景。其中，基礎(chǔ)設(shè)施包括5G/6G 通信、云計(jì)算、芯片、材料等，人機(jī)交互包括移動終端、可穿戴智能設(shè)備、手勢識別、語音識別等，去中心化包括邊緣計(jì)算、AI 機(jī)器人、微服務(wù)、區(qū)塊鏈等，空間計(jì)算包括虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（XR）、3D 引擎、人工智能、數(shù)字仿真等，創(chuàng)作者經(jīng)濟(jì)包括創(chuàng)造工具、工作流、資產(chǎn)市場等，發(fā)現(xiàn)包括廣告、策劃、搜索、應(yīng)用商店等，體驗(yàn)則包括游戲、社交、電子競技、購物等。在這些技術(shù)和場景中，與強(qiáng)算力相關(guān)的包括云計(jì)算、人工智能和模擬仿真等技術(shù)。

“ 元宇宙是基于互聯(lián)網(wǎng)而生、與現(xiàn)實(shí)世界相互打通、平行存在的虛擬世界，是一個(gè)可以映射現(xiàn)實(shí)世界又獨(dú)立于現(xiàn)實(shí)世界的虛擬空間。

與算力相關(guān)的元宇宙技術(shù)和場景

●云計(jì)算

云計(jì)算是元宇宙的算力底座。搭建一個(gè)多維的虛擬現(xiàn)實(shí)場景，同時(shí)容納大量用戶在線活動，需要非常龐大的算力支撐。這種算力需求類似于云游戲，具有很大的彈性、多樣性和不均衡性。例如，不同于網(wǎng)絡(luò)游戲中已設(shè)定的行為和場景，元宇宙中的用戶有大量的創(chuàng)作性行為，可能產(chǎn)生大量的實(shí)時(shí)并發(fā)計(jì)算任務(wù)，同時(shí)這些任務(wù)也可能帶來大量的實(shí)時(shí)渲染需求。這就要求系統(tǒng)的浮點(diǎn)計(jì)算能力和圖像處理能力都較高。此外，隨著處理數(shù)據(jù)量的增加，存儲的規(guī)模也會急劇上升。

云計(jì)算是一種海量低成本基礎(chǔ)計(jì)算資源的提供方式，資源利用率高，規(guī)模效益大。它具有分布式網(wǎng)絡(luò)連接、資源共享、按需彈性動態(tài)部署等特點(diǎn)，可以為元宇宙的實(shí)現(xiàn)提供一個(gè)強(qiáng)大的算力系統(tǒng)。云計(jì)算采用虛擬化技術(shù)，將計(jì)算資源如中央處理器（CPU）、圖形處理器（GPU）、網(wǎng)絡(luò)、存儲、操作系統(tǒng)等協(xié)調(diào)在一起，并克服了應(yīng)用軟件與硬件系統(tǒng)的兼容性問題，使用戶獲取資源不受時(shí)間、空間和物理硬件的限制，滿足元宇宙計(jì)算需求的多樣性和不均衡性。同時(shí)，通過虛擬化技術(shù)，云計(jì)算可以很方便地快速擴(kuò)展計(jì)算資源，按需部署，可靠性高，滿足元宇宙計(jì)算的彈性和可靠性需求。云計(jì)算的高性價(jià)比也使元宇宙的海量計(jì)算需求以較低的成本得以滿足。目前，國內(nèi)外廠商的元宇宙實(shí)現(xiàn)基本采用云平臺的方式。例如，臉書公司使用亞馬遜云補(bǔ)充其現(xiàn)有的本地計(jì)算設(shè)施，通過亞馬遜云的計(jì)算、存儲、數(shù)據(jù)庫和安全服務(wù)，獲得云端更好的隱私保護(hù)、可靠性和擴(kuò)展性。

●人工智能

人工智能是元宇宙的智慧大腦。無論是計(jì)算機(jī)視覺、機(jī)器學(xué)習(xí)，還是自然語言處理和語音識別，都是元宇宙重要的組成部分。在元宇宙的應(yīng)用場景中，人工智能起到了內(nèi)容生產(chǎn)的作用，對訓(xùn)練算力和推理算力都有很大需求。例如，不同于網(wǎng)絡(luò)游戲中的非玩家角色（non-player character,NPC），元宇宙采用智能機(jī)器人與用戶對話，這就需要對人類語義有較為準(zhǔn)確的理解和表達(dá)，進(jìn)而需要較為準(zhǔn)確的自然語言人工智能訓(xùn)練模型。同樣，在AR/VR 等場景中，通過智能設(shè)備導(dǎo)入的現(xiàn)實(shí)場景需要計(jì)算機(jī)能夠準(zhǔn)確快速地識別和判斷，這就對計(jì)算機(jī)視覺的深度學(xué)習(xí)模型提出了較高要求。這些都大大增加了元宇宙在人工智能方面的算力需求。

人工智能作為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重要驅(qū)動力量，受到了世界各國的重視，已成為大國競爭的新焦點(diǎn)。不同于傳統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算仿真模擬，人工智能計(jì)算通常采用16 位或以下的整數(shù)或浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行計(jì)算，目前國際上尚未有統(tǒng)一的算力衡量標(biāo)準(zhǔn)。借鑒高性能計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)，一些計(jì)算平臺以全系統(tǒng)每秒完成的16 位浮點(diǎn)數(shù)的乘法或加法的計(jì)算次數(shù)（用于人工智能訓(xùn)練算法）作為算力指標(biāo)。

在人工智能計(jì)算芯片方面，目前主流的人工智能計(jì)算芯片主要包括三類技術(shù)路線。第一類是經(jīng)過軟硬件優(yōu)化可以高效支持人工智能應(yīng)用的通用芯片，如英偉達(dá)的GPU、中科海光的協(xié)處理器（DCU）等。以英偉達(dá)的GPU 為例，GPU 芯片上包括CUDA Core 和Tensor Core 兩種計(jì)算單元，其中：CUDA Core 為眾核設(shè)計(jì)，可提供高精度算力，主要用于高性能計(jì)算和圖像渲染，但是按16 位浮點(diǎn)數(shù)（FP16）計(jì)算的峰值相對較低，并未針對AI計(jì)算優(yōu)化；Tensor Core 是專門針對AI 計(jì)算特點(diǎn)的領(lǐng)域?qū)Ｓ眉軜?gòu)（DSA）設(shè)計(jì)，是提供AI 算力的主要計(jì)算單元，F(xiàn)P16 計(jì)算的峰值相對較高，具備更高的加速效果。第二類是側(cè)重于加速機(jī)器學(xué)習(xí)算法（尤其是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)）的芯片，如Google TPU、寒武紀(jì)、華為昇騰等。寒武紀(jì)等采用了DSA 架構(gòu)，主要強(qiáng)化定點(diǎn)運(yùn)算能力，但舍棄了昂貴的浮點(diǎn)運(yùn)算單元。定點(diǎn)運(yùn)算主要適合做AI推理的加速，但較難用于AI 訓(xùn)練和算法開發(fā)。華為昇騰等也采用DSA 設(shè)計(jì)，但偏重于FP16 計(jì)算，得到了較高的FP16 計(jì)算性能。第三類是受生物腦啟發(fā)設(shè)計(jì)的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算芯片，如英特爾公司的類腦芯片等。

在計(jì)算平臺方面，集成了大量加速部件、用于人工智能訓(xùn)練和推理的人工智能算力服務(wù)平臺近幾年在各地大量出現(xiàn)。這些平臺大量采用各類人工智能芯片加速部件，提升計(jì)算能力，其體系結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)各有不同，適用于不同人工智能應(yīng)用領(lǐng)域。在系統(tǒng)架構(gòu)方面，目前廣泛采用的是基于x86 架構(gòu)的“CPU+加速器”的方案，這套方案比較成熟且具有良好的生態(tài)環(huán)境。此外，基于ARM 架構(gòu)的眾核處理器方案在功耗和通用性方面也具有一定的優(yōu)勢，但該架構(gòu)的生態(tài)不夠健全，計(jì)算所需的軟件生態(tài)在逐步完善中。

●模擬仿真

模擬仿真是元宇宙的重要內(nèi)容和實(shí)現(xiàn)手段。隨著技術(shù)的成熟和應(yīng)用的落地，現(xiàn)實(shí)世界的各類場景如教育、科研、醫(yī)療、工業(yè)、城市等都將投射到元宇宙。模擬仿真可以連接物理世界和數(shù)字世界，對物理世界進(jìn)行建模或數(shù)字化，按物理世界的運(yùn)行規(guī)律在數(shù)字世界中進(jìn)行設(shè)計(jì)、優(yōu)化、測試、預(yù)演，擺脫時(shí)間、空間、材料成本等的限制，并將結(jié)果反饋給真實(shí)的物理世界，極大地降低成本、提高效率。例如，NVIDIA 公司推出的Omniverse平臺是專為虛擬協(xié)作和物理級準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)模擬打造的開放平臺，其中一個(gè)主要功能就是構(gòu)建工業(yè)產(chǎn)品或環(huán)境的虛擬副本或數(shù)字孿生，為制造業(yè)、自動駕駛、機(jī)器人和氣候模擬等提供仿真應(yīng)用。

模擬仿真一般使用傳統(tǒng)的超級計(jì)算機(jī)或高性能計(jì)算機(jī)。由于量子力學(xué)或牛頓力學(xué)方程計(jì)算精度的要求，其算力需求主要集中在雙精度浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算，計(jì)算部件包括各類CPU 和通用型GPU。得益于計(jì)算機(jī)和計(jì)算科學(xué)的快速發(fā)展，科學(xué)研究和工業(yè)工程的設(shè)計(jì)和物理試驗(yàn)逐步被計(jì)算仿真所替代，一些無法試驗(yàn)的極端工況也可以通過仿真手段加以實(shí)現(xiàn)。對基礎(chǔ)科學(xué)研究來說，計(jì)算模擬已成為必不可少的研究手段之一。在計(jì)算化學(xué)、固體物理、材料科學(xué)、生命科學(xué)、藥物設(shè)計(jì)等微觀領(lǐng)域的研究中，人們用量子力學(xué)來模擬微觀世界中原子和分子的相互作用和行為?；谂ｎD力學(xué)的并行計(jì)算是天文學(xué)家研究宇宙起源和演化、天體結(jié)構(gòu)、天體動力學(xué)等的主要模擬手段。隨著更強(qiáng)大、更高計(jì)算能力的超級計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，人們可以模擬規(guī)模越來越大的微觀宏觀系統(tǒng)、時(shí)間越來越長的微觀宏觀過程、越來越精細(xì)的微觀宏觀現(xiàn)象，從而極大地增強(qiáng)了對自然的認(rèn)知能力。對工業(yè)和工程領(lǐng)域創(chuàng)新活動來說，工程仿真應(yīng)用主要是采用計(jì)算仿真手段來模擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造、產(chǎn)品運(yùn)行環(huán)境和工程建設(shè)環(huán)境等。目前，常見的工業(yè)領(lǐng)域包括航空航天、汽車制造、船舶工業(yè)、土木工程以及新能源和新材料等都廣泛采用了計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）來替代傳統(tǒng)的產(chǎn)品研制和生產(chǎn)。超級計(jì)算機(jī)為這些大型仿真軟件解決大規(guī)模工程問題提供了強(qiáng)有力的平臺，工程仿真從單一局部的分析走向整體優(yōu)化應(yīng)用。

例如，在土木工程方面，仿真技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)和房屋建筑、大型場館、橋梁、水壩、隧道等工程中得到了日益廣泛的運(yùn)用。研究問題包括高層及超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和抗震性能分析、大型復(fù)雜工程施工模擬、建筑通風(fēng)、空調(diào)暖通、煙氣擴(kuò)散以及大型建筑內(nèi)人群安全疏散等。在航空工業(yè)領(lǐng)域，從飛機(jī)布局研究、關(guān)鍵氣動部件設(shè)計(jì)、發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)到飛機(jī)性能分析都廣泛應(yīng)用到了模擬仿真技術(shù)，必須借助超級計(jì)算機(jī)進(jìn)行大規(guī)模并行計(jì)算。在汽車工業(yè)領(lǐng)域，汽車設(shè)計(jì)一直是CAE 應(yīng)用相對較為成熟、廣泛的領(lǐng)域，從零部件直至整車裝配級別的研發(fā)設(shè)計(jì)階段都有大量仿真分析。CAE 分析已經(jīng)貫穿于汽車研發(fā)設(shè)計(jì)的整個(gè)流程和各方面、各環(huán)節(jié)，大幅度提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)省了大量開發(fā)費(fèi)用，成為不可或缺的設(shè)計(jì)工具并發(fā)揮著無可替代的優(yōu)勢和作用。在鋼鐵行業(yè)，人們從冶煉到加工的各個(gè)工藝過程都進(jìn)行計(jì)算機(jī)過程模擬、系統(tǒng)優(yōu)化、自動控制和監(jiān)測。這種分析方法使鋼鐵工業(yè)從過去以經(jīng)驗(yàn)和知識為依據(jù)，以“試錯(cuò)”為基本方法的工藝階段向以模型化、最優(yōu)化和柔性化為特點(diǎn)的工程科學(xué)階段過渡。在船舶工程領(lǐng)域，針對產(chǎn)品全生命周期的船舶CAE 實(shí)現(xiàn)了船舶產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)和管理的數(shù)字化，以提高船舶工業(yè)研究開發(fā)水平和生產(chǎn)制造能力,加快船舶產(chǎn)品與設(shè)計(jì)技術(shù)的創(chuàng)新，加速船舶研制、生產(chǎn)和造船企業(yè)經(jīng)營管理的現(xiàn)代化進(jìn)程，提高船舶制造業(yè)的綜合能力和核心競爭力。

“ 隨著更強(qiáng)大、更高計(jì)算能力的超級計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，人們可以模擬規(guī)模越來越大的微觀宏觀系統(tǒng)、時(shí)間越來越長的微觀宏觀過程、越來越精細(xì)的微觀宏觀現(xiàn)象，從而極大地增強(qiáng)了對自然的認(rèn)知能力。

一千個(gè)人的心中有一千個(gè)元宇宙。元宇宙由業(yè)界知名廠商提出，不同的人、資本、組織根據(jù)各自的理解和需求，不斷拓展著元宇宙的概念。它不僅是對現(xiàn)有通信、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、模擬仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的融合應(yīng)用，也是對技術(shù)未來發(fā)展或應(yīng)用趨勢的暢想、愿景或預(yù)測。元宇宙目前還處在發(fā)展的初級階段，應(yīng)用實(shí)例僅在VR/AR/MR、沉浸式游戲、數(shù)字孿生等領(lǐng)域，與未來的成熟形態(tài)和人們的愿景還有很大差距。隨著技術(shù)的不斷演進(jìn)、應(yīng)用場景的不斷成熟，未來的元宇宙將激發(fā)更大、更廣泛的算力需求。