算力：数字文明的“隐形发动机”从人力算筹到量子比特的跃迁之旅

一、算力是什么？

它用 FLOPS（每秒浮点运算次数）衡量，却不止于冰冷的数字。

• 手机触控的丝滑、AI 作图的秒出、台风路径的精确 2 km 圈，背后都是算力。

• 如果数据是电能，算力就是发电机——没有它，数字城市立即熄灯。

“功率”是物理学概念，指单位时间所做的功；把它借用到数字世界，就能直观理解“算力越高，任务完成越快”。FLOPS 是 Floating Point Operations Per Second 的缩写，专门测量计算机执行小数运算的快慢，是目前国际通用的性能标尺。把算力比作发电机，则强调其“供给-消费”关系：没有足够算力，再丰富的数据也无法转化为可用服务。

二、史前 4000 年：算力从“人脑”到“机械脑”

1. 工具期（公元前→1600s）

算筹、算盘、计算尺——把计算从“记忆”外包给“工具”。

2. 机械期（1600s→1900s）

1642 年帕斯卡加法器：齿轮第一次替代神经元。

3. 理论期（1900s→1940s）

1936 年图灵：抽象出“万能机器”；1945 年冯·诺依曼：把程序和数据塞进同一抽屉——现代计算机的 DNA 就此双螺旋。

“外部化”指把原本由人脑完成的计算步骤转移到外部物体；“标准化”指这些外部物体采用统一规则，任何掌握规则的人都能复用。算盘 beads 的位置、帕斯卡加法器的齿轮比、冯·诺依曼的存储程序结构，都是标准化范例。图灵机是数学模型，用来定义“可计算”的边界；冯·诺依曼架构则是工程实现，把运算器、控制器、存储器、输入输出设备整合为同一体系，奠定了后来所有通用计算机的设计框架。

三、70 年指数爆炸：从 ENIAC 到 E 级超算

一条时间轴，感受“性能+能效”的双重指数：

1946 ENIAC → 30 吨/5000 次加法/150 kW

1959 IBM 1401 → 1/30 吨/22 万次/4 kW

1971 Intel 4004 → 1/30 盎司/9 万次/0.5 W

2007 iPhone → 6 盎司/1 亿次/1 W

2023 英伟达 H100 → 1 公斤/67 亿亿次/700 W

注：70 年，单位功耗算力增长 ≈ 10¹⁴ 倍，远超航空发动机效率提升。

“双重指数”指性能（纵轴）与功耗（横轴）同时呈指数级变化。计算方式：把同一时期“每秒运算次数/瓦特”作为能效比，再对不同年份取对数，即可画出近似直线的指数曲线。10¹⁴ 倍意味着如果 1950 年用 1 瓦特只能做 1 次运算，现在 1 瓦特可做 100 万亿次。航空发动机 70 年仅把燃油效率提升约 2 倍，对比之下可见半导体技术进步的陡峭程度。

四、当下三维战场：算力、能效、普惠

1. 全球版图

• 美国：35 % 超算算力 + 英伟达 GPU 霸权

• 中国：8 大国家算力枢纽 + 全球 30 % AI 服务器

2. 三大矛盾

• 需求：GPT-4 训练 ≈ 2.1×10²⁴ FLOPs，34 个月翻一番，摩尔定律已掉队。

• 能耗：全球数据中心 2025 年或占全球用电 3.2 %，等于整个德国。

• 鸿沟：中小公司买 8 张 A100 都吃力，算力正在“贫富分化”。

“超算算力”通常指 HPL（High Performance Linpack）基准测试持续性能，美国能源部 Frontier 目前以 1.1 EFlops 居首。

“34 个月翻倍”来自 OpenAI 2023 报告，其统计了自 2012 年以来 AI 训练任务所需算力的年均增速，约为摩尔定律的 7 倍。

德国 2022 年用电量约 500 TWh，占全球 3 % 左右，因此“等于整个德国”是把抽象比例换算成熟悉的国家量级，方便理解。

五、未来三条赛道：量子、光、脑

1. 量子计算

谷歌 2023 年“垂柳”芯片：量子比特 70→141，误差率 3%→0.1%，化学模拟 47 年缩短到数小时。

2. 光计算 & 神经形态

光子芯片：矩阵乘法零延迟，能效 ×100；

类脑芯片：英特尔 Loihi 2，事件驱动，毫瓦级实时学习。

3. 算力即服务

“全国算力一张网”——像点外卖一样调度 5000 km 外的 GPU；

边缘-中心协同：手机调用 3 ms 外的微型超算，车端只做最后 1 % 决策。

量子比特（qubit）利用叠加与纠缠态，可同时表示 0 和 1，使某些算法呈指数级加速；误差率指每次量子门操作出现错误的概率，降到 0.1 % 意味着已接近可扩展的容错阈值。

光计算用光波导替代铜线，光速传播避免 RC 延迟，故理论上延迟趋近零；但受限于光电转换损耗，目前仍处实验室阶段。

“算力即服务”借鉴云计算“资源池化”思路，通过 SDN（软件定义网络）把分散的 GPU/ASIC 统一调度，延迟控制在毫秒级即可满足自动驾驶等实时业务。

从结绳记事到量子纠缠，人类用算力丈量世界，也用世界反哺算力。

当算力像自来水一样拧开即用，当每一度电都长出更多比特，我们将迎来第四次基础设施革命，那时，算力不再是“谁拥有”，而是“谁用得更好”。