1. 云计算国际发展现状

1.1 云计算产业和市场概况

全球云计算市场发展蓬勃，2021年云基础设施服务的总收入达到 1780 亿美元，相比较 2020 年的1300 亿美元增长了37%。如图1.1根据Eurostat的统计数据，2021年有超过41%的企业会使用云计算服务，其中大型公司使用云计算服务的比例更是高达72%。

全球云计算市场中，少数互联网巨头占据了大部分的市场份额。图1.2展示了全球主要云计算服务商市场份额的排名情况。亚马逊作为全球最大的云计算服务提供商，超过其两大竞争对手微软和谷歌的市场份额之和。而我国的阿里云近两年发展迅速，已经位居第四。

1.2 云计算关键技术

云计算涉及的关键核心技术包括基础设施硬件和基础系统软件两方面。

1.2.1 云基础设施硬件

云计算以数据中心为依托，数据中心的主要IT硬件包括：服务器通用处理器、新型处理器、内存以及外存等。目前国外企业在基础设施硬件领域占据市场主导地位。

(1) 服务器通用处理器

如图1.3所示，根据OMDIA 的统计数据，2021年第四季度全球服务器CPU芯片的市场份额中，英特尔的X86芯片占据了79%，AMD的X86芯片占据了16%，ARM芯片占据了4%。近年来，开源指令集 RISC-Ⅴ芯片得到业界广泛认可与积极投入，然而短时间内无法大规模商业应用。

(2) 服务器新型处理器

新型处理器是后摩尔时代加速云服务的重要手段，主要包括图形处理器(GPU)和专用加速器(FPGA、ASIC)。

GPU最早主要用于图形图像的处理，随着其应用越来越广，GPU开始增加了通用计算功能，并且发展成为一种云计算环境下大规模使用的并行处理器。如图1.4所示，英伟达、AMD和英特尔占据了全球几乎所有的GPU市场。

面对全球汹涌而来的数字化浪潮，很多企业针对AI应用、云原生应用等定制了专用的加速硬件，比如亚马逊的DPU、英特尔的IPU。加速硬件基于FPGA和ASIC实现。图1.5展示了FPGA和ASIC的市场占有率。在FPGA设计制造领域，赛灵思的市场占比独占鳌头，英特尔紧随其后，仅这两家就占据90%的FPGA市场。在ASIC设计制造领域，多家企业势均力敌。比特大陆、三星和英飞凌三家企业占据了ASIC市场的前三名，合计市场占比为45%。

(3) 服务器内存

DRAM是与CPU直接交换数据的内部存储器。如图1.6所示，根据TrendForce的统计数据，2021年第二季度，三星和海力士占据了全球73%的DRAM市场份额。

持久内存（NVM）具有比传统DRAM更经济的价格和更大的容量，且断电后数据不会消失，对降低服务器成本、提升系统健壮性具有重要意义。目前，市场上已经有一些NVM产品，例如英特尔研发的傲腾存储器。但是，NVM尚未进入大规模商用阶段。

(4) 服务器外存

外存主要包括机械硬盘（HDD）和固态硬盘(SSD)。HDD是以磁盘为存储介质，通过磁臂和磁头、磁盘之间的机械构造进行数据存储。如图1.7所示，2021年全球的HDD市场，西部数据和希捷占据了79%的市场份额。SSD通过存储器内部的电荷数进行数据的读取和写入进而实现数据存储。如图1.8所示，2021年全球的SSD市场，三星、英特尔、海力士和西部数据占据了85%的市场份额。

1.2.2 云计算基础系统软件

云计算基础系统软件主要包括服务器操作系统、虚拟化软件和云资源管理软件等。

(1) 服务器操作系统

根据Statista的统计数据，全球服务器操作系统市场中，Linux操作系统占据绝对统治地位。Linux是一种免费的、开源的操作系统，任何人都可以获得其代码并根据自身需求修改。当前Linux系统已经形成完整生态。

(2) 虚拟化软件

虚拟化技术是云计算最重要的核心技术之一，为云计算服务提供基础架构层面的支撑。其中，硬件级虚拟化和操作系统级虚拟化是最主要的虚拟化技术。

硬件级虚拟化：包括由Linux社区主导的KVM项目、由Xen社区主导的Xen项目、微软开发的Hyper-V项目以及由VMware公司开发的VMware项目。其中前两种方案是开源社区维护和发展的开源项目，后两种方案是由商业公司维护和开发的闭源项目。近年来轻量级虚拟机技术获得了广泛关注，例如亚马逊提出的Firecracker。

操作系统级虚拟化：以容器为代表的操作系统级虚拟化是云计算发展的主要趋势之一。其具有启动快速、部署方便、资源占用少、运行效率高等优点。主流的容器软件包括Docker等。Docker是业界主流的代表性开源容器引擎。

(3) 云资源管理软件

云资源管理软件运行于服务器操作系统之上，通常用来管理多台服务器上的虚拟机或容器资源。基于硬件级虚拟化的代表性资源管理软件为Open Stack。Open Stack系统及其演变版本目前被广泛应用在各行各业，包括私有云、公共云、混合云。基于操作系统级虚拟化的代表性资源管理软件为Kubernetes。Kubernetes是Google开源的一个容器编排引擎，它支持自动化部署、大规模可伸缩、应用容器化管理。

2. 云计算国内发展现状

2.1. 云计算产业和市场概况

我国云计算产业具有巨大的潜力。我国拥有世界上最多的网络用户和完善的网络基础设施，使得我国具备世界上最大、突发请求最多的应用场景（微信红包、双十一购物等）。同时，我国在移动网络、行业数字化（如物联网、边缘计算等）、电子游戏、网络贸易等方面有着最快的创新能力。

自2010年起，我国政府就将云计算产业列入国家“十二五”和“十三五”重点培育和发展的战略性新兴产业。我国工信部从2017年到2019年制定了云计算三年发展计划，以促进中国云计算的产业规模。我国科技部资助了一系列云计算相关项目，例如2017年“云计算与大数据”国家重点科技攻关计划专项启动了15个项目，总投资4.09亿元；2018年，该专项计划启动了20个项目，总预算高达6.25亿元。

中国云计算产业发展势头迅猛。国际知名数据分析公司IDC发布的《全球及中国公有云服务市场（2020年）跟踪》报告显示，2020年全球公有云服务整体市场规模达到3,124.2亿美元，同比增长24%，中国公有云服务整体市场规模达到193.8亿美元，同比增长50%，全球各区域中增速最高。IDC预计，到2024年中国公有云服务市场的全球占比将从2020年的7%提升为11%以上。近期，IDC发布的《中国公有云服务市场（2021第三季度）跟踪》报告显示：2021年第三季度中国公有云服务整体市场规模达到 71.88 亿美元（457.61 亿人民币）。

中国的云企业相对于世界云企业巨头起步较晚，目前国内云厂商之间形成“一超多强”的局势。服务最好、起步最早的阿里云始于2009年，而大部分其他厂商的云服务则开始于近几年。如图1.9所示，IDC发布的《中国公有云服务市场（2021第三季度）跟踪》报告显示：阿里云、腾讯云、华为云、天翼云、AWS位居中国公有云市场前五，共占76%的市场份额。

2.2 云计算关键技术

2.2.1 云基础设施硬件

(1) 服务器通用处理器

在服务器通用处理器方面，国产CPU在性能上与Intel和AMD的高端服务器CPU芯片还存在较大差距。表2.1展示了国产CPU的性能参数。以龙芯新发布的3A5000消费级CPU为例，其实现的单核SPEC2006性能大于10分/GHz,性能约为Intel公司10年前发布的酷睿i3-2120。

表2.1 国产CPU性能参数