迈入千倍时代——算力天梯和算力年表（插图版）

GPU 系统的计算能力「又」超过 1 艾（exa，10 的 18 次方，百亿亿）了——NVIDIA 在 GTC 发布的 GB200 机柜，推理生成 token（FP4） 的速度达到 1.4 exaFLOPS（每秒浮点操作）。目前峰值性能达到 1 艾级别的超算，也只有 Top2 的美国橡树岭国家实验室的 Frontier 和美国阿贡国家实验室 Aurora。

如果你最近见过这条新闻，脑中可能会充满疑惑：好像 NVIDIA 去年就有超过 1 exa 的新闻？1 exa 是多大，意味着什么？怎么突然就这么快了？然后很快就忘了。

exa 是国际单位制（SI）中的「千倍」进制单位，我们对于 exa 这样的单位很容易感到陌生、远离现实生活、视而不见。

这不是因为我们平时接触的数目规模不够大，而是因为我们很少接触到以「千倍」为单位来看待数目规模的尺度。

传统增长

尺度是用来做比较和衡量变化的，而我们平时接触多的「比较和变化」——增长速度，通常都是：

• 「几倍」：二级市场（股市）整体的长期 beta 收益，年化 10% 左右，十年几倍
• 「十倍」：二级市场上最好的企业「十倍股」，通常是十年十倍，年化收益 25%
• 「几十倍」：VC 投资的初创企业一般要求 40% 以上增速，十年几十倍
• 「百倍」：摩尔定律，最有效的时候十年百倍（见下文年表）

而平时常说的、最厉害的「指数增长」，其实很多时候都是：以摩尔定律这类增速为底层基础、以初创公司这种增速为表象。

摩尔定律是线性的，在大部分时间也体现为一种线性的技术普及和市场扩张过程——技术成熟曲线（Hype Cycle）中平缓的斜坡和停滞期。

初创公司不是线性增长，但也不是一直加速，而是像创新扩散理论的 S 形曲线那样，只有中间是陡峭的。

整体上一般就是每十年有几十到上百/几百倍的增长，跟真正以「千倍」单位为尺度的增长——「千倍增长」相比，其实要低一个档次（独角兽公司除外，可以达到千倍档次，因为有相同底层，见文末）。

那么「千倍增长」真的存在吗，如果存在，其中一定存在一些上述事物没有的、深层次的发展模式和趋势（想直接看结论可以跳到第四章节）。

研究方法

2024.3.24 更新

在后续内容之前先解释和剧透一下：

本文关注的算力演进趋势和增长模式，是以 AGI（通用人工智能）和 XR（元宇宙、增强现实）现在和未来所需计算量为终极目标的，比较的是各种算力类型/要素的「增速」满足最终需求的能力，不是关公战秦琼在面向不同用途、计算精度不同的东西之间「捧一踩一」。

本文的方法是：

1. 先通过年表梳理每种算力类型自身不同型号的能力（标准基本一致）和年代
2. 得到它们各自在每个十年中增速的粗略规模（比如年表中每个标题下备注的单位）
3. 最后章节做分析的时候，先以十年为单位，分别回顾总结每种算力类型的增速、增速变化
4. 根据年表中收集和突出的信息，给出增速差别和加速/放缓背后的原因
5. 再比较不同算力类型的增速。把它们增速背后各自不同的原因，归纳到相同的增长模式/增长曲线里
6. 提出「加速计算」新增的「第三增长曲线」，指出这种增长模式跟「千倍增长（增速）」的关系、跟 AGI 的关系

最后也顺便总结了独角兽企业增长模式跟「第三增长曲线」的共通之处。

把早期计算机、HPC/超算跟 GPU 放到一起比较「增速」，是为了归纳和突出之前的主流增长模式（「第一增长曲线」和「第二增长曲线」）。

为了看清「第三增长曲线」这样的根本模式和大的发展趋势，本文看问题的角度是有意「粗略」（粗粒度）的，以十年和千倍进制为尺度，尽量拉平小尺度中的波动、周期和细节。

算力千倍天梯

为了方便理解这种尺度/增长，我做了一个表格，以国际单位制（SI）中的「千倍」单位制为脉络和层级，填入每个层级对应的事物（黄色部分都跟计算机的算力有关，是目前算力已经触达的层级）：

如果下面的图不能放大，可以看这个表格的飞书版

这个天梯中，各种事物达到某个「千倍」层级的时间无法体现。

所以我又整理了一条时间线，可以看到这些事物在每个时期达到的千倍层级：

算力十进制年表

上世纪 40 年代

制程：cm
通用计算：h

战争加速了电子管的技术发展和生产。

46 年第一台数字的（之前有基于物理模拟的计算机）、电子的（之前有机电式的）、通用的图灵完备的（可编程）计算机 ENIAC 被美国陆军投入使用，包含上万个电子管，占地上百平米，运算能力相当于现代的 500 FLOPS（每秒 500 次浮点数计算）。

上世纪 50 年代

制程：mm
通用计算：K

电子管广泛应用于民用产品，比如收音机。小型电子管被大量生产，尺寸十几到几厘米。

50 年代中期，47 年发明的晶体管（尺寸以毫米为单位）开始取代电子管的主导地位。

52 年第一台商用大型机 UNIVAC I 交付美国人口调查局，每秒可执行 1905 次运算操作。

55 年首款全晶体管商用大型机 IBM 608 发布。59 年经典的 IBM 1401 发布，每秒执行 86957 次指令（时钟周期），两个 10 位数的加法运算每秒 2000 多次，20 位数加法每秒 1000 多次。

硅谷诞生：

51 年斯坦福建立工业园，晶体管之父肖克利 53 年离开贝尔 56 年来到山景城。

57 年 8 名工程师辞职创立仙童半导体。

上世纪 60 年代

制程：μm (*10)
通用计算：K (*10)
高性能计算：M (*10)

集成电路开始商用和普及（59 年仙童创始人诺伊斯发明实用化集成电路），其中的平面晶体管尺寸在 10 微米以上，一块芯片几个晶体管，60年代中后期做到一块芯片上百个晶体管。

64 年使用混合集成电路的第三代计算机 IBM 360（大型机）上市，速度达到 34500 IPS（每秒执行指令次数），用于高性能计算的型号（Model 91）可达到 16.6 MIPS（每秒执行 1660 万次指令）。

60 年 DEC 的全晶体管小型机 PDP-1 展示。

65 年 PDP-8 上市，低复杂性低成本，采用简单指令集提高执行速度，运算能力跟 IBM 360 相近。小型机开始普及。

65 年摩尔定律诞生。

68-69 年仙童员工辞职创立 Intel 和 AMD。

上世纪 70 年代

制程：μm
通用计算：K (*100)
超算：M (*100)

早期个人计算机诞生：

74 年 Altair 8800 发布。

75 年家酿俱乐部首次聚会。

76 年 Apple I 展示。

77 年 Apple II（$1298，相当于现在的 43000 人民币）和 Commodore PET（$795，相当于现在的 26000 人民币）上市。

Apple II 和 PET 使用的 MOS 6502 芯片（Atari 2600 和 NES 红白机也用这种芯片）制程 8 微米，含 4000 多个晶体管，整数运算能力 0.43 MIPS（每秒 43 万次操作）。

随着芯片制程从 10 微米发展到 3 微米，一块芯片上的晶体管数量从上千发展到几万（大规模集成电路）。

比如 78 年发布的 Intel 8086，3 微米制程，含 29000 个晶体管，运算能力 0.33 MIPS（每秒 33 万次操作）。

带来的成本降低和小型化推动了之后 80 年代个人计算机的普及。

性能也逐步提升（虽然不是这一时期的重点），比如 79 年的 Intel 8088 和 摩托罗拉 68000 运算能力开始接近和超过 1 MIPS（每秒一百万次操作）。

76 年第一台商业超算诞生，CRAY-1 性能达到了 160 MFLOPS（每秒 160 万次浮点操作）。

上世纪 80 年代

制程：μm
通用计算：K (*100) -> M (*10)
超算：G

个人计算机开始普及：

81 年第一代 IBM PC 上市（$1565，相当于现在的 35000 人民币）。使用 Intel 8088 芯片，运算能力 0.75 MIPS（每秒 75 万次操作）。

82 年 Commodore 64 上市（$595，相当于现在的 12000 人民币）。

83 年 Apple 发布第一台 GUI（图形用户界面）个人电脑 Lisa（$9995，相当于现在的 20 万人民币）。

84 年 Apple 发布 Macintosh（$2495，相当于现在的 49000 人民币）。

84 年 IBM PC 采用 Intel 80286 芯片，1.5 微米制程，十几万晶体管，运算能力最快超过每秒两百万次（1.28 - 2.66 MIPS）。

86 年 80386（之后更名为 i386）上市，1 微米制程，27 万晶体管，运算能力 4 - 7 MIPS。

89 年 i486 上市，0.8 微米制程，含一百多万晶体管，运算能力最快可达每秒 4 千万次（41 MIPS）。

85 年投产的超算 Cray-2，峰值性能达到 1.9 GFLOPS。

上世纪 90 年代

制程：μm (*0.1)
通用计算：M (*100) -> G
超算：G (*100) -> T

93-95 年奔腾（Pentium / 586）发售 0.8 微米、0.6 微米、0.35 微米制程的型号，晶体管数量三四百万，运算能力超过每秒 1 亿次（188 MIPS）。

97-99 年奔腾 II、奔腾 III 发售了 0.35 微米、0.25 微米、0.18 微米制程的型号，晶体管数量 750 万到 950 万，运算能力几百到几千 MIPS（2054 MIPS）。

93 年的超算 CM-5 峰值性能达到 130 GFLOPS。

97 年美国政府超算计划（ASCI）的第一台机器 Red 的峰值性能首次达到 1 太（tera，TFLOPS）。

通用 GPU 的前身——3D 图形加速卡（无通用计算能力）开始出现：

96 年 Voodoo 发布。

97 年 NVIDIA 最早的 3D 加速卡 RIVA 128 发布。

98 年 Voodoo 2 和 NVIDIA RIVA TNT 发布。99 年 TNT2 发布。

本世纪 00 年代

制程：nm (*10)
通用计算：G (*10)
加速计算：G (*100)
超算：T (*100) -> P

PC 的 CPU 性能进入 G 时代。

纳米级别的制程技术出现，03-05 年间，90 纳米制程被商业化。

04 年采用 90 纳米制程的奔腾 4 包含的晶体管数量超过 1 亿，处理能力超过 9000 MIPS（9G）。

06-07 年 Intel Core 和 AMD Athlon 64 发布，采用 65 纳米制程， 进入多核时代，处理能力超过 10000 MIPS（10G），大约相当于 40 GFLOPS。

GPU 诞生，开始通用化：

99 年 10 月 NVIDIA 发布初代 GeForce（初代 GPU），采用台积电 220nm 制程，通用计算能力（单精度浮点数/FP32）是 960 MFLOPS。

00 年 8 月第二代 GeForce 的计算能力翻倍达到 2 GFLOPS。这时老黄已经提出了超越摩尔定律——英伟达的产品每 6 个月性能翻一番。

01 年 2 月第三代 GeForce 采用台积电 150nm 制程，计算能力达到 10 GFLOPS（半年翻两番…）。

GeForce3 是第一款支持 shader 编程的显卡。非官方的 GPGPU（通用 GPU）研究开始兴起。

06 年 NVIDIA 发布的第八代 GeForce 做了重大的微架构（芯片内部架构）更新，新的 Tesla 架构把 3D 渲染中的顶点和像素管线的处理器统一成 Unified Shader 处理器，使其也可以用于通用计算，称作 CUDA Core，CUDA 1.0 SDK 随之发布，首次支持 C 语言开发。

其中 8800 采用 90 纳米制程（07 年 8800GT 采用 65 纳米），接近 7 亿晶体管，计算能力超过 300 GFLOPS（5 年 10 倍）。

02 年日本的地球模拟器成为最快超算，峰值性能 40 TFLOPS。

04 年 IBM 的蓝色基因登顶，之后扩展达到几百 TFLOPS 的性能。

08 年 IBM Roadrunner 峰值性能首次超过 1 petaflops，超算进入 P 时代

本世纪 10 年代

制程：nm (*10)
桌面通用计算：G (*100) -> T
移动加速计算：G -> G (*100)
桌面加速计算：T (*10)
数据中心加速计算：T (*100) / P
超算：P (*10) -> P (*100)

10 年 Apple 发布 iPhone 4 和 iPad，使用自研处理器 A4，单核 CPU + 单核 GPU，采用三星 45nm 制程，GPU 计算能力 6 到 8 GFLOPS。

18 年发布的 A12（6 核 CPU，4 核 GPU）和 A12X（8 核 CPU，7 核 GPU）采用台积电 7nm 制程，A12 的 FP32 计算能力超过 500 GFLOPS，用于初代 iPad Pro 的 A12X，FP32 计算能力超过 1 TFLOPS。

从 09 年到 19 年，Intel 发布了 9 个代际的酷睿 CPU，制程从 32nm 到 14nm，包含 20 亿以上晶体管（单核），第一代的 i7 990X 计算能力最高超过 170 GFLOPS，第九代的 i9 9900 计算能力最高超过 1000 GFLOPS（1T）。

10 年 NVIDIA 发布了「GPU Computing」的下一个重大微架构更新，新的 Fermi 架构改进了对双精度浮点运算的支持，对科学计算等领域更友好。

12 年，依靠 GPU 克服计算成本（算法用 CUDA 在两块 NVIDIA 显卡上编写）的深度学习模型 AlexNet 夺得 ImageNet ILSVRC（大规模视觉识别挑战） 冠军，错误率远低于第二名。论文发表后反响巨大影响深远，深度学习进入爆发增长阶段，机器学习进入 GPU 时代。

15 年 NVIDIA 发布 Maxwell 架构的 GeForce GTX 旗舰 980 TI， 台积电 28nm 制程，计算能力超过 5 太（5 TFLOPS）。

16 年 NVIDIA 发布 Pascal 架构和面向服务器的「数据中心 GPU」 P100，新架构支持半精度（FP16）运算——开启了「减少浮点数精度」这条重要的性能提升曲线和护城河（不过这个架构中 FP16 还不能带来很多计算速度提升，主要是减少内存和带宽占用，支持更大的模型）。

此外还支持 NVLink 1.0，开启了另一条重要的性能提升曲线和护城河「多卡协同」。

17 年发布了 Pascal 架构的 1080 Ti，三星 14nm 制程，计算能力超过 10 TFLOPS，正式支持 PC VR。

17 年 NVIDIA 更重要的发布是 Volta 架构，首次引入为 AI 运算优化的、支持 FP16 的 Tensor Core。

新架构下的「数据中心 GPU」 V100（第一代 AI 卡皇），采用台积电 12nm 制程。FP32 计算能力达到 14 TFLOPS，深度学习计算能力（FP16）超过 100 TFLOPS。

16 年 NVIDIA 发布第一款 GPU 服务器——DGX-1，包含 8 块 Pascal/Volta 架构的 GPU。18 年发布的 DGX-2 包含 16 块 V100，性能达到 2 petaFLOPS。GPU 平台进入 P 时代。

16 年 Google 也发布了专用于 AI 的芯片（ASIC）——TPU，支持低精度（8位）上的大量运算，第一代 TPU 的运算能力达到 92 TFLOPS，18 年发布的第三代 TPU 的运算能力达到 275 TFLOPS。

这个时期的顶级超算普遍开始依赖 GPGPU：

12 年 Cray 给橡树岭国家实验室制造的 Titian，计算速度超过 10 petaFLOPS（理论峰值 27 petaFLOPS），包含 18688 块 NVIDIA GPU。

16 年不含 GPU 的神威太湖之光成为最快超算，计算速度超过 100 petaFLOPS。两年后就被橡树岭国家实验室接替 Titian 的 Summit 超越，计算速度达到 200 petaFLOPS，包含 27648 块用 NVLink 连接的 V100。

本世纪 20 年代

制程：nm
桌面通用计算：T -> ？
移动加速计算：T -> ？
桌面加速计算：T (*10) / T (*100) -> ？
数据中心加速计算：P / E -> ?
超算：E -> ?

移动端加速计算：

23 年 Apple 发布 A17 Pro，台积电 3nm 制程，6 核 CPU，6 核 GPU，16 核 NPU，190 亿晶体管，FP32 计算能力超过 2 TFLOPS。

Vision Pro 使用的 M2 芯片，8 核 CPU，10 核 GPU，16 核 NPU，FP32 计算能力超过 3.5 TFLOPS。

桌面加速计算：

NVIDIA 在 18 年发布 2080 TI（Turing 架构），20 年发布 3090（Ampere 架构），22 年发布 4090（Ada Lovelace 架构）。单精度（FP32）计算能力发展到 82 TFLOPS，深度学习（FP16）计算能力发展到 330 TFLOPS。

数据中心加速计算：

NVIDIA 在 20 年发布 A100（Ampere 架构），新的 Tensor Core 3.0 支持 TF32、BF16 精度，稀疏矩阵运算速度翻倍。

22-23 年发布 Hopper 架构 的 H100 和 H200，新的 Tensor Core 4.0 支持比 FP16 更小的 FP8，提供 Transformer Engine 简化 FP8 的使用。

H100 的 FP32 计算能力发展到 67 TFLOPS，TF32 的深度学习计算能力达到 989 TFLOPS，FP8 的深度学习计算能力接近 4 petaFLOPS。

23 年 Google 最新的第五代 TPU，计算能力是 393 TFLOPS。

8000 张 H100 可以在 90 天里训练出 GPT-4 这样参数超过 1 太（tera，相当于trillion/万亿）的模型（GPT-MoE-1.8T）。

Ada Lovelace 架构的 4090 具备同样的 Tensor Core，支持 FP8，只是不支持卡间互联（NVLink）这类数据中心场景的必杀技。

这次 GTC 发布的 Blackwell 架构 GPU（B200），FP8 计算能力达到 10 petaFLOPS，新支持的 FP4（适合推理）计算能力达到 20 petaFLOPS，是 H200 的 5 倍。在 90 天里训练出 GPT-4 只需要 2000 张 H200。

22 年的单台 GPU 机柜（DGX GH200，包含 32 块 H100），FP8 计算能力达到 128 petaFLOPS，需要 8 台机柜组成的集群（包含 256 块 H100），才能达到 1 艾（exaFLOPS）。

这次 GTC 新发布的 GB200 NVL72（包含 72 块 Blackwell 架构的 B200），一台机柜的计算能力（FP4）就已经超过 1 艾（1.4 exaFLOPS），用于训练的 FP8 计算能力达到 720 petaFLOPS。

组成集群（GB200 NVL72 Compute Rack）后包含 576 块 GPU：

再组成整个数据中心，包含 32000 块 GPU，运算能力达到 645 exaFLOPS。

目前运行中的排名前二的超算，峰值性能也只是刚超过 1 艾：

美国橡树岭国家实验室的 Frontier，峰值性能 1.67982 exaFLOPS。

美国阿贡国家实验室的 Aurora，峰值性能 1.09 exaFLOPS。

千倍增长

第一增长曲线

根据以上梳理可以看到：

算力最初只有一条增长曲线，就是算力硬件的本体——半导体制程。

半导体制程最初以十年十倍的速度改进。

到了 70 年代放缓，似乎是因为这一时期更侧重小型化和降低成本。

80 年代恢复十倍速度。

00 到 01 年代再度放缓，因为已经接近 n（纳米）这个单位的边界，开始要进入 p（皮米）这个在物理上达到原子尺寸的层级。

第二增长曲线

「通用计算」（CPU、通用计算机）的性能，最初同样以十年十倍的速度发展。

80 到 90 年代在硅谷诞生、个人计算机普及（可以认为是来自市场侧的增长曲线）和摩尔定律的支撑下，提升到百倍。

00 到 01 年代不但没跟着半导体制程放缓，反而加速到百倍。

原因是通用计算不再只依赖半导体制程这条属于「垂直扩展」的增长曲线，增加了以多核、大小核、SoC 为代表的「水平扩展」增长曲线。

第一种千倍增速

到了超算这里，第一种「千倍增长」出现了。

超算从一开始就有前面说的两条增长曲线。

其中的「垂直扩展」的增长曲线，在 80 - 90 年代刚好叠加上了个人计算机发展带来的摩尔定律红利（百倍）。

因此从 80 年代开始就进入每十年千倍的增长阶段。

不过可以看到这种增速更多由能投入大量资源的头部超算来维持。可能因为超算的「水平扩展」是非标准、非规模化的，成本较高。

进入 10 年代，超算的增速也放缓到百倍/十倍。

这种千倍增速有点像部分独角兽企业，暂时叠加了市场红利，但自身存在固有问题，千倍增速难以维持。

第二种千倍增速

最后再看「加速计算」（GPU），把桌面端、移动端、数据中心等各种加速计算的场景一起看待，加速计算从 00 年代诞生开始就一直保持千倍增速至今，且没有放缓迹象（甚至有所加速）。

这种千倍增速的维持乃至加速，正好迎合了 AGI 时代的需求：

上图中 AI 模型需要的运算速度爆发增长的起点，就是前文介绍过的 AlexNet 事件，从此之后模型的层数规模、参数规模进入了「水平扩展」时代，需要相应的运算速度增长。而且正好也达到了艾（exaFLOPS）的级别。

双生的第二增长曲线

要解释加速计算这种千倍增速的维持甚至加速，同样需要看清它有哪些增长曲线。

加速计算有「垂直扩展」的半导体制程这条增长曲线，且既幸运又必然的没受到 x86 架构和 Intel 的影响。

加速计算有两条「水平扩展」增长曲线：

跟「通用计算」风格类似的「水平扩展」增长曲线——比如多核、SoC。

跟超算风格类似的「水平扩展」增长曲线——基于 NVLink 的芯片间互联协同、基于 NVSwitch 的服务器之间协同。

这种协同不同于超算，是标准化、规模化的。这既带来低成本，也带来可扩展性。

由于「垂直扩展」增长曲线的物理瓶颈，能维持/加速「水平扩展」的可扩展性，变得至关重要（特别是对 AGI 来说）。

不过仅凭这种「双生」和「可扩展」，可能还不足以维持千倍增长。

仔细看下年表，会发现加速计算还有更多增长曲线：

第三增长曲线

GPGPU 虽然是「通用」的，但定位是加速计算，针对那些能超高密度并行计算的部分做加速。最初只是 3D 图形渲染和少数科学/工程计算符合这种要求。

深度学习和 AGI 时代带来的变化是，大量原本要手工灵活编写代码逻辑的需求、越来越多无法手工写代码实现的需求，被通过类似「涌现」这样超出人类思维能力的转换过程，提取出了相同的、可以高密度并发重复计算的部分。

除了导致 GPGPU 的需求大增，也凭空增加了大量的「相同」——有相同特点的数据类型、算法类型，让 GPGPU 能发挥自己的长处，对它们分而治之，做专门优化。

GPU 的起源就是针对像素渲染、顶点着色等「相同」的数据/算法做专门优化。

优化方法包括：

硬件手段——比如在 GPU 微架构中增加专门的处理单元。

NVIDIA 频繁的升级「微架构」，就是这种手段的体现。

SDK 手段——进入开发者那一侧，改变他们写代码的方式，增加各种有硬件优化的「相同」部分，掌控这些「相同」的形式（比如数据格式、API 抽象等），让它们符合自己的标准。

前面介绍过的 FP16、TF32、FP8、FP4 等「减少浮点数精度」，乃至整个 CUDA，都属于这类。

SDK 手段也可以称作软件手段、算法手段。

以上两种手段都还依赖算法和芯片协同、软硬一体化协同。

跟普通硬件产品的软硬一体化协同相比，包含了 SDK 的软件手段能影响开发者体验（DX）和开发方式，是远远更强大的协同。

这也意味着越强大的软硬协同中的软件部分，会趋向大幅多于硬件部分。

总之，第三增长曲线跟第二增长曲线（水平扩展）有类似之处，在一个领域里，「相同」事物越多，就越容易分而治之和专门对待，越容易重复和并行，重复和并行也是一种水平扩展。另一方面，软件和硬件协同越强、软件越强，就越能利用这种「相同」和水平扩展的机会。

最后也顺便看看独角兽（千倍增速）的特点：多个增长曲线、有内部和外部双生的水平扩展要素（比如网络效应）、面向的市场需求中的「相同」部分不断自然增加或可以主动增加、软件强大、能用软件做协同、有开发者平台、开发者体验优先