周勇 ,郭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)＊ ,曾沁 ,郝伊一

1.中國(guó)氣象局氣象發(fā)展與規(guī)劃院，北京 100000

2.中國(guó)氣象局預(yù)報(bào)司，北京 100000

引言

2022 年2 月17 日，國(guó)家發(fā)展改革委、中央網(wǎng)信辦、工業(yè)和信息化部、國(guó)家能源局等4 部門(mén)聯(lián)合印發(fā)通知，同意在京津冀、長(zhǎng)三角、粵港澳大灣區(qū)、成渝，以及內(nèi)蒙古、貴州、甘肅、寧夏等地啟動(dòng)建設(shè)國(guó)家算力樞紐節(jié)點(diǎn)，并規(guī)劃了10 個(gè)國(guó)家數(shù)據(jù)中心集群，“東數(shù)西算”工程全面啟動(dòng)?！皷|數(shù)西算”工程是我國(guó)從國(guó)家戰(zhàn)略、技術(shù)發(fā)展、能源政策等多方面出發(fā)，啟動(dòng)的一項(xiàng)國(guó)家重大工程，對(duì)于優(yōu)化我國(guó)算力資源空間布局、提高數(shù)據(jù)資源利用效率、推動(dòng)?xùn)|西部協(xié)調(diào)發(fā)展等均具有重要戰(zhàn)略意義。氣象本身有著與生俱來(lái)的信息特征，氣象行業(yè)時(shí)刻都在與數(shù)據(jù)打交道，是高度依賴數(shù)據(jù)和算力的行業(yè)，因而，也必將受到國(guó)家“東數(shù)西算”工程的影響。深入研究“東數(shù)西算”對(duì)氣象行業(yè)的影響細(xì)節(jié)、影響程度及應(yīng)對(duì)措施，已成為氣象部門(mén)面臨的重要課題。

1 “東數(shù)西算”事關(guān)國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展大局

1.1 “東數(shù)西算”工程概況

“東數(shù)西算”工程是一項(xiàng)與“南水北調(diào)”、“西電東送”和“西氣東輸”等工程相似的國(guó)家重大戰(zhàn)略工程，其目的在于將東部算力需求有序引導(dǎo)到西部，國(guó)家發(fā)力、市場(chǎng)接力，打造全國(guó)算力“一張網(wǎng)”，構(gòu)筑我國(guó)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展新優(yōu)勢(shì)。據(jù)中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院援引相關(guān)機(jī)構(gòu)測(cè)算，到2025 年“東數(shù)西算”工程10 個(gè)國(guó)家數(shù)據(jù)中心集群總投資可達(dá)4000～5000 億元。

“東數(shù)西算”工程將在八大國(guó)家算力樞紐節(jié)點(diǎn)建設(shè)10 個(gè)數(shù)據(jù)中心集群，具體指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表1。根據(jù)地理位置和發(fā)展定位不同，可分為兩大類。一類樞紐節(jié)點(diǎn)是位于東部地區(qū)的京津冀、長(zhǎng)三角、粵港澳大灣區(qū)和成渝樞紐，所在地區(qū)用戶規(guī)模大、算力需求旺盛，主要承載實(shí)時(shí)性要求較高的災(zāi)害預(yù)警、電子商務(wù)、金融證券等業(yè)務(wù)。另一類樞紐節(jié)點(diǎn)是位于西部地區(qū)的內(nèi)蒙古、貴州、甘肅和寧夏樞紐，土地、電力和勞動(dòng)力等成本低廉，且氣候適宜，是算力設(shè)備的天然冷卻場(chǎng)所，主要承載實(shí)時(shí)性要求較低、價(jià)格敏感度高的備份存儲(chǔ)、后臺(tái)加工、網(wǎng)站維護(hù)、離線分析等業(yè)務(wù)，分擔(dān)東部地區(qū)算力壓力。[1]

表1 “東數(shù)西算”國(guó)家算力樞紐節(jié)點(diǎn)及數(shù)據(jù)中心集群對(duì)比分析Table 1 Comparative analysis of national computing hub nodes and data center clusters of “Counting from East to West”

1.2 “東數(shù)西算”的戰(zhàn)略意義

新發(fā)展格局下，數(shù)據(jù)已成為新的生產(chǎn)要素，數(shù)字經(jīng)濟(jì)成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)的重要引擎，其中算力又是數(shù)字經(jīng)濟(jì)的核心生產(chǎn)力?！皷|數(shù)西算”工程旨在優(yōu)化我國(guó)算力資源空間布局、提高數(shù)據(jù)資源利用效率，對(duì)于國(guó)家、部門(mén)和社會(huì)發(fā)展都具有很強(qiáng)的戰(zhàn)略引領(lǐng)作用。

“東數(shù)西算”工程夯實(shí)我國(guó)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展基礎(chǔ)?！皷|數(shù)西算”工程通過(guò)數(shù)據(jù)中心全國(guó)一體化布局，整體上擴(kuò)大算力設(shè)施規(guī)模、提升算力使用效率，有助于全國(guó)算力的規(guī)?；⒓s化發(fā)展，將帶來(lái)集約效應(yīng)，支撐我國(guó)數(shù)字社會(huì)轉(zhuǎn)型發(fā)展，加速提升數(shù)字經(jīng)濟(jì)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的占比。[2]

“東數(shù)西算”工程有助于促進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展。算力設(shè)施由東向西布局，將帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)有效轉(zhuǎn)移，促進(jìn)東西部數(shù)據(jù)流通、價(jià)值傳遞，在延展東部發(fā)展空間的同時(shí)，為西部地區(qū)轉(zhuǎn)型發(fā)展注入新動(dòng)力。

“東數(shù)西算”工程發(fā)揮綠色低碳示范效應(yīng)。算力樞紐西遷，可充分發(fā)揮西部區(qū)域氣候、能源、環(huán)境等方面優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)可再生能源的就近消納，通過(guò)數(shù)據(jù)、算力和能源的高效聯(lián)動(dòng)，為新型基礎(chǔ)設(shè)施綠色、低碳和可持續(xù)發(fā)展提供示范。[3]

2 氣象行業(yè)高性能計(jì)算系統(tǒng)建設(shè)情況

2.1 氣象行業(yè)高性能計(jì)算技術(shù)發(fā)展歷程

氣象行業(yè)是高性能計(jì)算的重要應(yīng)用領(lǐng)域，高性能計(jì)算技術(shù)有效突破了氣象數(shù)值預(yù)報(bào)模式發(fā)展的局限，在氣象預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)中發(fā)揮著至關(guān)重要的支撐作用。與此同時(shí)，氣象業(yè)務(wù)對(duì)高性能計(jì)算能力的需求反過(guò)來(lái)促進(jìn)了高性能計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展。自20世紀(jì)70 年代高性能計(jì)算機(jī)問(wèn)世以來(lái)，氣象行業(yè)始終是高性能計(jì)算機(jī)的應(yīng)用大戶，各國(guó)氣象部門(mén)紛紛建立了適應(yīng)自身氣象業(yè)務(wù)實(shí)際的高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。中國(guó)氣象局也是自1978 年建設(shè)第一臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以來(lái)逐步發(fā)展數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)。從20 世紀(jì)90 年代自建的銀河II、神威I 到神威4000、IBM P460，再到曙光系列，計(jì)算能力呈指數(shù)級(jí)增加。與此同時(shí)，氣象部門(mén)還租用了大量的社會(huì)上高性能計(jì)算資源，如天河I、天河II 等。在高性能計(jì)算的助力下，中國(guó)數(shù)值預(yù)報(bào)蓬勃發(fā)展，讓中國(guó)躋身世界為數(shù)不多發(fā)布中期數(shù)值預(yù)報(bào)的國(guó)家行列。[4]

2.2 氣象行業(yè)高性能計(jì)算系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀

為支撐數(shù)值預(yù)報(bào)模式的快速發(fā)展，國(guó)外氣象部門(mén)的高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更新速度較快，高性能計(jì)算能力已達(dá)每秒千萬(wàn)億次（PFLOPS）。目前，全球主要發(fā)達(dá)國(guó)家的氣象部門(mén)高性能算力情況如下：韓國(guó)氣象廳53.8PFlops，歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心45.3PFlops，美國(guó)天氣局32.9PFlops，美國(guó)大氣研究中心30.5PFlops，法國(guó)氣象局25.9PFlops，日本氣象廳18.3PFlops，英國(guó)氣象局14.2Pflops。而中國(guó)氣象局高性能計(jì)算機(jī)峰值運(yùn)算能力為9.8PFlops，在國(guó)際同行業(yè)的排名下降到第8 名（2018 年，中國(guó)氣象局新一代高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)“派-曙光”計(jì)算能力達(dá)到8.2PFlops，中國(guó)氣象局高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總體規(guī)模躍居氣象領(lǐng)域世界第二位，僅次于英國(guó)氣象局）。氣象專業(yè)數(shù)據(jù)存量約35PB，隨著全天候、高頻次、高精度地球監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的上天，以及高時(shí)空分辨率數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的發(fā)展，氣象專業(yè)數(shù)據(jù)量快速增長(zhǎng)，目前增量約7PB/年。我國(guó)氣象高性能計(jì)算能力不僅遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，且面臨海量氣象數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求，存在巨大壓力。[5]

由于數(shù)值天氣模式研究和業(yè)務(wù)運(yùn)行對(duì)計(jì)算資源的強(qiáng)烈需求，國(guó)內(nèi)外氣象領(lǐng)域高性能計(jì)算機(jī)及應(yīng)用技術(shù)迅速發(fā)展起來(lái)。氣象行業(yè)對(duì)高性能計(jì)算能力及系統(tǒng)的可靠性需求日益提升。

圖1 氣象行業(yè)高性能技術(shù)發(fā)展歷程Fig.1 Development history of high performance technology in meteorological industry

2.3 氣象行業(yè)高性能計(jì)算發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)，氣象業(yè)務(wù)與科研對(duì)計(jì)算能力的需求與日俱增，高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)成為提升氣象部門(mén)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)能力的關(guān)鍵因素。《“十四五”氣象信息網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)發(fā)展規(guī)劃》明確“到2025 年建成總峰值運(yùn)算能力不低于200PFlops 高性能算力”，《“十四五”數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)發(fā)展規(guī)劃》提出“應(yīng)用異構(gòu)眾核高性能計(jì)算技術(shù)，開(kāi)展天氣氣候一體化模式”。由此可見(jiàn)，隨著數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的發(fā)展、地球氣候系統(tǒng)模式的研發(fā)，不僅對(duì)高性能計(jì)算能力提出新需求，還對(duì)高性能技術(shù)架構(gòu)提出新目標(biāo)。在“十四五”時(shí)期，強(qiáng)化高性能計(jì)算系統(tǒng)對(duì)氣象業(yè)務(wù)發(fā)展的支撐能力將是中國(guó)氣象局的重點(diǎn)建設(shè)任務(wù)。[6]

3 “東數(shù)西算”對(duì)氣象高質(zhì)量發(fā)展有重要影響

“東數(shù)西算”工程將影響氣象信息系統(tǒng)建設(shè)方式、系統(tǒng)布局和指標(biāo)設(shè)定，并進(jìn)而影響到全國(guó)氣象業(yè)務(wù)布局。

3.1 對(duì)氣象信息系統(tǒng)建設(shè)提出新要求

一方面，“東數(shù)西算”工程等一系列政策、方案的出臺(tái)，進(jìn)一步完善了國(guó)家對(duì)信息化“新基建”的頂層設(shè)計(jì)，指向性和指導(dǎo)性非常明確，各部門(mén)在設(shè)計(jì)建設(shè)信息系統(tǒng)時(shí)的“自由空間”收窄，建設(shè)規(guī)模、布局和指標(biāo)等都將受到更多約束，相關(guān)工程審批要求增多、難度加大。另一方面，在“東數(shù)西算”工程建設(shè)中，政府主要發(fā)揮指揮和引領(lǐng)作用，企業(yè)將是工程建設(shè)的主力軍，這對(duì)氣象信息系統(tǒng)建設(shè)方式也有示范作用，要更多依靠社會(huì)力量，租建結(jié)合、提高性價(jià)比。[7]

3.2 影響氣象數(shù)據(jù)中心和超算中心布局

從國(guó)家層面上看，數(shù)據(jù)中心的適度聚集，有利于降低建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)成本、提高效益。所以，國(guó)家信息中心、應(yīng)急管理部、公安部等單位的主備數(shù)據(jù)中心選址，大都與“東數(shù)西算”工程八大國(guó)家算力樞紐節(jié)點(diǎn)一致，具體模式和選址見(jiàn)表2?！丁笆奈濉睔庀笮畔⒕W(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)發(fā)展規(guī)劃》中提出“北京主中心-西安備份中心-京外高性能計(jì)算中心”的“三地三中心”系統(tǒng)布局，西安備份中心建于“東數(shù)西算”工程之前，不屬于國(guó)家算力樞紐節(jié)點(diǎn)，但“京外高性能計(jì)算中心”的選址難免要受“東數(shù)西算”工程的影響。[8]

表2 主要單位數(shù)據(jù)中心選址表Table 2 Data center location table for major units

3.3 全國(guó)氣象業(yè)務(wù)及業(yè)務(wù)系統(tǒng)布局將受到間接影響

首先，在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)布局上，除了融入生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)和應(yīng)急減災(zāi)實(shí)時(shí)過(guò)程的氣象數(shù)據(jù)（如：對(duì)時(shí)效追求永無(wú)止境的災(zāi)害預(yù)警數(shù)據(jù)，以及無(wú)人港裝卸貨、城市軌道運(yùn)行等實(shí)時(shí)氣象服務(wù)數(shù)據(jù)），一般延時(shí)需求都在秒級(jí)以上，都可歸為“非實(shí)時(shí)性”數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，可以逐步“西移”（即：向綠色低碳地區(qū)遷移）。其次，國(guó)家“東數(shù)西算”戰(zhàn)略布局，也為氣象部門(mén)提供了一個(gè)暢通全國(guó)、輻射全球的“網(wǎng)絡(luò)、算力、數(shù)據(jù)”一體化的國(guó)家大云，為改變當(dāng)前氣象專有云與各級(jí)政府“層層對(duì)接”的方式提供了實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，有望通過(guò)一點(diǎn)接入，實(shí)現(xiàn)全省、全國(guó)，乃至全球氣象服務(wù)。[9]

3.4 氣象信息系統(tǒng)關(guān)鍵綠色指標(biāo)將會(huì)進(jìn)一步提高

國(guó)家啟動(dòng)“東數(shù)西算”工程建設(shè)后，氣象信息系統(tǒng)的電能利用效率（PUE）指標(biāo)也將“水漲船高”。目前，國(guó)家級(jí)氣象高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的電能利用效率是1.4，國(guó)家要求到2023 年降低到1.3 以下，而“東數(shù)西算”工程提出建設(shè)的10 個(gè)國(guó)家數(shù)據(jù)中心集群中，張家口、韶關(guān)、長(zhǎng)三角、蕪湖、天府、重慶集群的電能利用效率在1.25 以下，和林格爾、貴安、中衛(wèi)、慶陽(yáng)集群的電能利用效率在1.2 以下。這表明國(guó)家對(duì)綠色低碳發(fā)展的要求不斷提高。國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)審批氣象信息系統(tǒng)相關(guān)建設(shè)工程時(shí)，節(jié)能指標(biāo)也將從嚴(yán)。

4 針對(duì)氣象行業(yè)適應(yīng)“東數(shù)西算”的建議措施

基于上述分析，針對(duì)“東數(shù)西算”對(duì)氣象行業(yè)的影響，提出建議措施如下。

4.1 調(diào)整氣象信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)思路和方式

氣象業(yè)務(wù)高度依賴數(shù)據(jù)與算力資源。近年，氣象數(shù)據(jù)與算力資源總量快速提升、集約化程度顯著提高。但有兩個(gè)問(wèn)題必須加以重視：一是過(guò)多強(qiáng)調(diào)氣象業(yè)務(wù)的特殊性，而對(duì)國(guó)家信息化總體部署不夠重視；二是資源不足，算力資源落后于國(guó)外，而且缺乏迭代升級(jí)所必須的穩(wěn)定投入。氣象部門(mén)要抓住“東數(shù)西算”工程建設(shè)機(jī)遇，主動(dòng)加強(qiáng)與國(guó)家算力樞紐節(jié)點(diǎn)所在地方政府及相關(guān)企業(yè)的交流，掌握各地算力資源建設(shè)計(jì)劃，改變目前過(guò)度依賴部門(mén)“圈地自建”信息系統(tǒng)的方式，通過(guò)選/租地自建、“租設(shè)備，建系統(tǒng)”或直接購(gòu)買算力資源服務(wù)等多種方式的組合，合理搭配使用部門(mén)自建資源與社會(huì)公共資源，盡可能多地使用公共資源承載非核心業(yè)務(wù)。

4.2 優(yōu)化氣象數(shù)據(jù)中心和超算中心布局

根據(jù)《“十四五”數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)發(fā)展規(guī)劃》，測(cè)算出國(guó)家級(jí)業(yè)務(wù)模式所需高性能計(jì)算峰值運(yùn)算能力到2025 年約需255PFlops，2030 年約需900 PFlops。以13 個(gè)主要數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)模式為基礎(chǔ)，兼顧模式運(yùn)行依賴關(guān)系，采用錯(cuò)峰運(yùn)行方式，經(jīng)精確計(jì)算得出峰值運(yùn)算能力需求約為176.18 PFlops，具體峰值運(yùn)算能力見(jiàn)表3。而且，在計(jì)算中將產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，需要及時(shí)存儲(chǔ)。為滿足業(yè)務(wù)需求，建議：一是近期仍將堅(jiān)持以自建算力資源支撐核心業(yè)務(wù)，以彌補(bǔ)國(guó)家超算中心與氣象業(yè)務(wù)需求間的供需缺口；二是要優(yōu)先選擇國(guó)家算力樞紐節(jié)點(diǎn)所在地建設(shè)氣象高性能計(jì)算中心；三是要從滿足“數(shù)算一體”應(yīng)用需求出發(fā)，調(diào)整已建和待建數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理系統(tǒng)位置；四是要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，提高電能利用效率指標(biāo)，使之不低于國(guó)家目標(biāo)要求。[10]同時(shí)，構(gòu)建要素充分流通的高速網(wǎng)絡(luò)，使得數(shù)據(jù)中心間骨干網(wǎng)的速率達(dá)到20Gbps 以上，來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速交換和高速聯(lián)通。

表3 國(guó)家級(jí)主要數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)模式所需理論峰值運(yùn)算能力Table 3 Theoretical peak capacity required for the main nwp business models at the national level

4.3 謀劃對(duì)全國(guó)氣象業(yè)務(wù)做適應(yīng)性調(diào)整

隨著數(shù)字化與氣象業(yè)務(wù)的融合日趨深入，氣象信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)布局的變化必將帶動(dòng)全國(guó)氣象業(yè)務(wù)布局的調(diào)整。氣象觀測(cè)、預(yù)報(bào)和絕大部分的服務(wù)業(yè)務(wù)都可以歸類為秒級(jí)以上的非高實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)，其業(yè)務(wù)支持平臺(tái)符合國(guó)家“向西”（即：向綠色低碳地區(qū)）布局的條件；而突發(fā)災(zāi)害預(yù)警、氣象數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)實(shí)時(shí)調(diào)度，實(shí)時(shí)性要求高，其業(yè)務(wù)支持平臺(tái)符合國(guó)家“向東”（即：就近于用戶所在地）布局的條件，可以布局在地方政府“城市大腦”所在地區(qū)。因此，為了更加快捷高效地融入國(guó)家和地方數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展、數(shù)字社會(huì)治理和數(shù)字防災(zāi)減災(zāi)，建議要未雨綢繆，及早謀劃全國(guó)氣象業(yè)務(wù)布局調(diào)整方案并組織試點(diǎn)，漸次推進(jìn)。[11]針對(duì)新的業(yè)務(wù)布局，進(jìn)一步完善氣象信息安全防控體系，強(qiáng)化數(shù)據(jù)安全分級(jí)分類，提升氣象大數(shù)據(jù)有效治理能力。

4.4 開(kāi)展“東數(shù)西算”工程氣候生態(tài)效益評(píng)估

作為類似“南水北調(diào)”的國(guó)家重大戰(zhàn)略性工程，“東數(shù)西算”工程效益如何，必將受到國(guó)內(nèi)外關(guān)注?！皷|數(shù)西算”工程氣候生態(tài)效益評(píng)估目前尚處于起步探索時(shí)期，從氣候資源開(kāi)發(fā)利用角度進(jìn)行效益評(píng)估，或?qū)⒊蔀闅庀蟛块T(mén)大有可為的新領(lǐng)域。[12]

利益沖突聲明

所有作者聲明不存在利益沖突關(guān)系。