“看不见”的城市:数字新基建进阶生长

June 6, 2023

Fanny Hu

发布于2023-06-07

50多年前意大利作家伊塔洛·卡尔维诺在《看不见的城市》里用古代使者的口吻对城市进行了现代性的描述。连绵的城市无限地扩张，城市规模远远超出了人类的感受能力。自从人类进入城市时代，全球发展的机遇和挑战都主要集中在城市。

早期的观点将城市视作一座巨型的机器，建筑、公路、管道、水、电等各类基础设施是供给它运转的燃料和底层系统。不过，城市显然比机器要坚韧得多——它不会因为某个“零件”损坏而轻易停止运转。全世界无数的城市都曾从天灾人祸中艰难重生。它更像一个能够自我修复的生命体。达芬奇早在500多年前就意识到了这一点，他曾将城市的运行机制类比为人体的血液系统和神经网络，隐喻两者之间的隐秘关联。

现在，构成全球城市的底层逻辑正在被一场数字化、智能化革命重塑和扩展中。随着社会生产生活模式的不断进化升级，原有基础设施开始难以满足社会高效运作的需求，围绕数字化升级的新一轮基础设施建设，成为各国的建设重点。

而在新冠疫情之后，对于城市的自我修复能力以及新城市韧性的关注成为新的世界课题。数字化和智能化升级下的新型基础设施要如何进阶生长？下一阶段的数字新基建核心是什么？哪些是决定性的关键技术？

数字新基建进阶：“云管端”数字底座和城市数字修复力

中国“新基建”概念的提出，是与传统的“铁公基”相对应，结合新一轮科技革命和产业变革特征，面向国家战略需求，为经济社会的创新、协调、绿色、开放、共享发展提供底层支撑的具有乘数效应的战略性、网络型基础设施。

新基建的概念最早在2018年的中央经济工作会议上提出，其涉及的主要内容大致归结起来包括 5G 基建、特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网等七大领域。

而随着时间的推移，新基建的内容和建设重点也随技术和应用的发展而与时俱进。尤其是在经历了全球范围的疫情之后，全世界对于数字化时代城市基础设施建设的发展重点从各个层面都有了新认识。

“云管端”三位一体建设新数字底座

2021年3月发布的国务院《“十四五”数字经济发展规划》中，则明确提出要“推动智能计算中心有序发展，打造智能算力、通用算法和开发平台一体化的新型智能基础设施”。

归结起来，数字智能化时代的基础设施主要在于“云管端”——“云”，是指云计算以及用以支撑云计算的基础设施及资源。通常指数据中心，里面存放大量的服务器、计算和存储设备，以及配套的交换机和路由器。“管”，是指传输信息的管道，也就是网络通信技术，中国以三大电信运营商建设为主，包括无线基站及核心网，接入网的光纤到户FTTx，还有路由器、交换机、WDM波分复用设备。“端”，就是终端，有硬件终端和软件终端之分。硬件终端就是计算机、手机、各种传感器及交互终端，如智能电表，共享单车，以及未来的智能汽车等；软件终端就是各种APP、网页登录界面、软件终端程序等。

在今年2月27日国务院印发的《数字中国建设整体布局规划》（下称《规划》）中则进一步明确了接下去需要重点夯实的数字中国两大建设基础。

一是打通数字基础设施大动脉，包括信息网络和算力基础设施两个层面，即加快5G网络与千兆光网协同建设，深入推进IPv6规模部署和应用，推进移动物联网全面发展，大力推进北斗规模应用。以及系统优化算力基础设施布局，促进东西部算力高效互补和协同联动，引导通用数据中心、超算中心、智能计算中心、边缘数据中心等合理梯次布局。整体提升应用基础设施水平，加强传统基础设施数字化、智能化改造。

二是畅通数据资源大循环。构建国家数据管理体制机制，健全各级数据统筹管理机构。推动公共数据汇聚利用，建设公共卫生、科技、教育等重要领域国家数据资源库。释放商业数据价值潜能，加快建立数据产权制度，开展数据资产计价研究，建立数据要素按价值贡献参与分配机制。

工信部在近期的新闻发布会上也进一步就推动新型信息基础设施建设协调发展提出新的工作重点。包括做优做强信息通信业，推进“宽带边疆”、千兆光网“追光行动”、中小城市云网强基建设、移动物联网高质量发展行动；推动6G、光通信、量子通信等关键核心技术加速突破，加大人工智能、区块链、数字孪生等前沿技术研发力度；以及大力推进5G、千兆光网等新一代信息通信技术在垂直行业、信息消费、社会民生等领域的融合应用，推动工业互联网规模应用，聚焦重点领域形成创新应用示范标杆，助力产业数字化转型。

在5月26日举行的2023中关村论坛全体会议上，工信部副部长徐晓兰则指出，要强化产业基础再造和重大技术装备攻关，加快核心基础零部件、核心基础元器件、先进基础工艺、关键基础材料、基础软件等方面的攻关突破，集聚力量突破智能芯片、算法框架、大模型等智能产业的“根”技术，加快和提升制造业创新中心的建设布局和质量，加强新型基础设施建设，夯实产业发展底座。

由此可见，夯实数字设施底座，加快技术产业创新，以及深化行业融合应用，成为接下去中国数字新基建建设进阶推进的工作重点。

数字修复力提升城市韧性：数字孪生城市建设落地加速

在联合国人居署中国未来城市理事会发布的报告《未来城市建议展望2022》（Future Cities Advisory Outlook 2022）中，则提出了另一个维度的考虑因素。该报告中特别强调，在全球性的疫情之后，提升城市韧性成为全球聚焦的重要议题，这其中，加强智能基础设施建设城市提升城市韧性的重要一环。

在人工智能、5G、云计算等前沿技术的加持下，智能化技术如何帮助传统基础设施建设实现转型升级，从而塑造更强大的新城市韧性，以应对未来可能出现的任何打击，更是未来城市基础设施建设需要关注的重点。

中国智慧城市项目的普及率和支出规模目前均处于全球领先水平，这很大程度上要归功于对5G、大数据、云计算、人工智能、物联网、区块链等新兴技术的重视。《国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中明确提出“探索建设数字孪生城市”，将推动国内数字孪生城市从概念培育期加速步入落地试验阶段。

数据孪生城市是目前物联网、大数据、时空信息、人工智能等新兴技术与智慧城市相互融合创新的热点领域，是基于全时空数据要素和虚实交互，提供城市管理、决策与服务的重要数字化协同手段。IDC于2021年发布的《全球智慧城市支出指南》预测，全球智慧城市到2025年将在数字孪生领域投入1078.26亿美元，5年复合增长率为34.13%。

核心技术挑战与趋势

无论是对于当前中国的数字经济建设，还是全球语境的数字化浪潮，新的基础设施建设早已不是传统意义上物理层面的钢筋水泥，物理世界正在不断被数字化延伸、重塑，甚至全新创造出来虚拟社区——比如城市里无处不在的摄像头，以及在各类社交媒体上构建的公共生活已经成为越来越多人日常生活不可分割的一部分。

从技术层面来看，数字新基建的建设无疑一个宏大的课题，包含着衣食住行以及医疗、教育、政府等诸多场景，涉及到包括感知、计算、连接、控制、安全、数字孪生等等一系列技术的交叉发展。这其中，算力、数据以及网络、连接、感知等底层技术则是未来竞争的关键。

归结起来，中国的新型基础设施的核心技术底座主要涉及三大方面：一是数字技术基，包括数据中心、云计算等核心技术能力，其中对于算力的提升是一大重点；二是网络技术，以云为基础、网为核心的未来网络基础设施；三是连接技术，连接服务作为最基础的信息交换基础设施，是数字经济的重要载体。

趋势一：数据是新石油

据研究机构IDC观测，厂商积极布局底层计算存储、数据中台、大数据分析平台等业务，尤其聚焦金融、政府、能源、制造等行业，客户也正在进行新一轮投入。另外值得注意的是，ChatGPT的爆火带来了数据计算和存储业务领域的更大的资本关注度，将大数据市场带入更大体量、更强计算和更专业化服务的新台阶。

IDC指出，数智融合成为必然趋势，人工智能与大数据市场呈现螺旋增长和相互带动的局面，ChatGPT、AIGC的火热推动数据治理、业务查询和预测分析平台的市场投入和更新迭代，底层数据质量和规模的提升以及安全共享流通，也会促进上层智能应用服务的升级。

值得关注的是，数据中台迎来新一波发展浪潮，同时厂商也在积极打造面向专业业务场景和图数据、语音文本等专业领域数据的全周期治理开发平台。服务市场整体趋势相对平稳，IDC预计总规模将在2026年超过110亿美元。

趋势二：突破算力瓶颈是主要挑战新兴算力技术探索中

与数据的爆发式增长相对应的，是对算力增长的大幅需求。算力技术已成为各国核心竞争力体现，因为算力直接带动数字产业化的发展——电子信息制造业、电信业、软件和数字技术服务业、互联网行业等数字核心产业的发展与算力的发展息息相关。

全球各国都在加大提升算力技术，尤其是新兴的算力技术。

美国2020年11月发布《引领未来先进计算生态系统战略计划》，将先进计算生态系统作为国家战略性资产，以确保美国在科学和工程方面的领导力、经济竞争力和国家安全。
日本2019年启动新一代国产超级计算机计划，投入约1300亿日元打造全球速度最快的超级计算机。
欧盟聚焦数字主权布局超算和量子计算，于2018年即提出“欧洲高性能计算共同计划”，2020年9月拟投资80亿欧元支持以百亿亿次计算和量子计算为主的新一代超级计算技术和系统的研究和创新，维持并提升欧洲在超算和量子计算领域的领先水平。

图2：全球算力规模分布情况

算力水平方面，根据信通院《中国算力发展白皮书》统计，美国、中国、欧洲、日本在全球算力规模中的份额分别为36%、31%、11%和 6%，其中全球基础算力竞争以美国和中国为第一梯队，且中美差距不断缩小，美国在全球基础算力排名第一，其份额达43%，中国以26%份额排名第二；智能算力方面，中国、美国处于领先，算力全球占比分别为 52%和19%；美国、日本、中国在超级计算综合性能指标方面优势明显，总算力份额分别为 31%、23%、20%，中国在绝对数量方面处于领先。

而当前人工智能深入发展的需要突破的核心瓶颈就是算力。Open AI发布的分析数据显示，自2012年以来，AI训练对算力的需求每3. 43个月翻一番。这一增速明显快于摩尔定律——作为过去几十年来统治计算的一个基准法则，摩尔定律指出，微处理器芯片上的晶体管数每18-24个月翻一番。这意味着，数据增长和算力增长之间的鸿沟将越来越大。

信通院《中国算力发展白皮书》对此指出，当前摩尔定律发展逐渐趋缓，以先进工艺升级为主导的经典计算体系演进模式遭遇“功耗墙”、“内存墙”瓶颈挑战。为应对万物智能时代海量应用创新和重大技术革新对算力供给的百千倍递加需求，深度挖掘计算器件、计算芯片、计算系统、计算理论等层面技术增长潜力，探索更多维度、更多要素的协同创新成为支撑算力进一步升级的重要举措。

也就是说，全球算力发展必须进入新阶段，否则将无法满足大数据时代对算力与功耗的要求。而提高算力的根本性对策在于提高运算速度和降低运算功耗，在这一点上，相比电子，光和量子具有天然的物理优势。

基于光学的光子芯片或能让计算机芯片克服电子学的根本局限——光子是当前速度最快的粒子，相较电子，具有更速度、更低功耗以及低延时等特点，且不易受到温度、电磁场和噪声变化的影响，光子芯片因而也被众多海内外科学家视作最有可能替代电子芯片的未来基础性核心技术，将是超越摩尔定律的重要技术基础之一。

量子计算则是利用量子力学的反直觉特性，可以大幅加速某些类型的计算。这让量子计算机在原理上具有超快的并行计算能力，有望通过特定算法在一些具有重大社会和经济价值的问题方面（如机器学习，密码破译、大数据优化、材料设计、药物分析等）相比经典计算机实现指数级别的加速。

随着摩尔定律放缓趋势凸显，各国也都开始在光和量子等新的领域开展突破摩尔定律瓶颈的探索。

趋势三信息网络和连接技术是消除信息鸿沟、释放数字价值的核心要素

数字化转型不会一蹴而就。IDC的分析师认为“技术+业务”将会是一个长期的融合过程。未来将是一个万物互联、万物感知的时代，网络信息和连接技术将是消除信息鸿沟、释放数字价值的核心要素之一。

无疑，连接服务作为最基础的信息交换基础设施，已经是数字经济的重要载体。过去十年，国内良好的通信基础设施在加速了在线娱乐、移动支付、电子商务、混合办公等数字化应用场景在中国的快速发展。目前，中国已经建成了全球最大的5G移动通信网络、家庭光宽带网络，并且在投资建设下一代算力网络。

比如在数据中心中，要在高性能计算设备之间建立更高速度、更长距离的数据通信，并将这些设备互联为一个整体来提供更加澎湃的算力，需要在光纤及外部网络与计算设备之间建立一个数据接口，就需要高速IO连接器来实现更好的互联。

在IDC关于“2023年中国未来连接十大预测”中，特别提到了“云通信+应用”、“云网融合”、“无线优先”、“连接韧性”等重点发展方向。IDC预测数据显示，到2025年，40%的企业将利用基于云的UCaaS/CPaaS平台创建客户互动应用，40%的数字化组织将通过“无线优先”的多接入网络架构来增强“云优先”战略，从而保证关键业务的连续性，以及到2025年将有50%的大型企业将直接或间接地在其网络中使用超大规模的Cloud WAN服务，运营商将加速向服务集成商转型。此外，到2026年，随着网络连接越来越重要，50%的公司将加大冗余网络等连接韧性方面的投资。