美國加快布局空間計算行業的啟示

　　今年2月，美國白宮科技政策辦公室首次將空間計算納入科技創新戰略布局，以維護其國家安全和科技競爭力。空間計算定義人機交互新范式，正處于產品升級和融合應用的關鍵階段。美國在XR、數字孿生、AI等領域長期處于國際領先地位，其戰略和產業布局、創新發展模式具有非常大的借鑒意義。結合我國空間計算行業發展面臨技術、生態及安全挑戰，啟示我國應進一步完善產業和技術布局，打造空間計算+AI的聯合產業生態應用，并強化相關數據安全監管。

　　什么是空間計算？

　　空間計算定義了一種更自然、更直觀、更原生的人機交互新范式。空間計算可理解為以三維物理空間和環境為基礎的計算方法1，其核心是利用AI、計算機視覺、GIS、三維重建、數字孿生、XR、5G/云網等技術，將人與機器的虛擬交互體驗融入物理世界，實現人機交互方式從二維升級到三維，擺脫實體屏幕的束縛，從而為遠程機器操作、遠程技術協助、虛擬培訓、虛擬商場、工業設計、模擬軍事訓練等應用提供更好的解決方案。空間計算通過手勢識別、眼球追蹤等技術實現動作操控，結合視覺、聽覺等多模態交互，使得人機交互過程更自然和直觀。同時，通過理解用戶所處的物理環境和上下文信息，分析用戶的行為和環境變化，空間計算也能提供更個性化、更原生的交互體驗。

　　空間計算和數字孿生都是構建元宇宙的關鍵技術，二者互有交叉、各有側重。空間計算是一種新的計算范式，側重提供數字信息和物理空間融合、交互的能力。而數字孿生側重提供模擬和管理物理世界的能力，主要通過收集、整合現實世界或系統的數據，構建高度仿真的數字副本，實時反映其狀態、行為和性能，并對其未來趨勢進行推演和預測。空間計算技術能為數字孿生系統提供更加沉浸、自然的虛實交互體驗，而數字孿生模型也能為空間計算系統提供更加全面、詳實的數字信息。

　　空間計算技術不斷升級，應用場景不斷豐富，產業鏈基本形成。隨著芯片和傳感器小型化持續迭代，以及以光學識別(OptiTrack等)、空間音頻(iamf等)、三維圖像處理(NeRF、3D GS等)、AI大模型(ChatGPT、Sora)等為代表的關鍵技術快速發展，空間計算已被廣泛應用于零售業、遠程教育、廣告、游戲、醫療、軍事、演示、培訓、旅游等領域2。目前，空間計算產業鏈已基本形成，涉及芯片、傳感器、光學器件、顯示屏、終端、操作系統、開發工具、AI算法、通信網絡、內容及應用等多個環節。

　　圖2 空間計算產業鏈圖譜示意圖

　　(根據公開數據整理)

　　美國空間計算行業布局現狀和特點

　　1.將空間計算納入“先進計算”國家戰略，鞏固科技領先優勢。

　　美國政府高度重視先進計算技術發展，近年來更是將先進計算置于國家戰略高度，為美國在基礎科學研究和前沿應用突破奠定基礎。2024年2月，美國國家安全委員會將空間計算列入先進計算領域《關鍵和新興技術清單》以強調其對維系美國國家安全優勢的重要性，并與先進超級計算(含AI)、先進云服務、邊緣計算等核心技術并列。

　　2.全產業鏈布局空間計算，確保核心環節自主掌控。

　　美國多年積累已形成硬件、軟件、算法三輪驅動的核心環節自主掌控。硬件側，英偉達、高通、英特爾分別在GPU、XR SoC、CPU芯片方面，長期占據全球領先地位;Meta、蘋果、谷歌等企業在感知交互終端方面，共占據全球八成以上市場份額。軟件側，Meta、蘋果、谷歌等企業均自研操作系統，以實現統一的軟硬件架構;Unity、微軟、Epic Games等企業已成全球空間計算應用軟件及開發工具的主要提供商。算法側，主要包括空間定位、手勢交互、語音交互、機器視覺、AI大模型等算法，Open AI、谷歌、蘋果等企業走在國際前列。

　　3.多措并舉大力扶持技術創新和應用，并重視生態培育。

　　財政補貼方面，聯邦政府通過美國國家科學基金會(NSF)資助探索空間計算在醫療、教育和勞動力培訓等領域應用的項目;加利福尼亞、紐約和華盛頓等地方政府積極提供贈款、稅收優惠服務，并創建創新研究中心。國防驅動方面，美國國防部一直是空間計算技術的重要驅動力，國防高級研究計劃局(DARPA)長期投資其在軍事行動的訓練模擬、態勢感知和人機界面等領域的研究和落地。標準方面，美國國家標準與技術研究所(NIST)參與制定空間計算關鍵技術的標準和指南，以確保安全性、互操作性和可用性。生態培育方面，鼓勵學術、產業和政府機構合作，如2023年4月，美國退伍軍人管理局(VA)與Penumbra公司合作，共同測試和開發康復護理領域的虛擬現實解決方案;頭部企業間也強強聯合、積極開展跨國合作，如英偉達與微軟聯合推出Omniverse空間計算平臺，谷歌與三星、高通合作研究MR/VR等。

　　我國空間計算行業發展面臨挑戰

　　1.產業鏈上游部分關鍵技術自主掌控力不足。

　　硬件側，SoC、存儲、音頻、射頻、電源管理等芯片主要依賴日本索尼、美國高通、韓國三星等進口;高端傳感器制造落后，如慣性等傳感器依賴德國博世、意法半導體ST等進口。軟件側，國內企業使用的3D建模軟件、3D引擎等開發工具及用戶界面仍以Unity、UE等國外軟件為主。其他，眼動追蹤、手勢交互等感知交互技術在識別精確度、時延等方面仍與國際領先水平存在差距。

　　2.產業鏈企業協同不夠，限制融合應用和生態培育。

　　一方面，產品性能和用戶體驗等核心問題需要產業鏈企業協同解決，如佩戴XR頭顯設備接打電話，需手機和XR等廠商協同更改芯片和底層操作系統實現多屏協同，提升打字、搜索等操作的便捷性。另一方面，當前空間計算技術標準尚未統一，且缺乏統一的軟件生態系統，不同設備之間無法兼容，導致創作內容無法在app等應用市場流通，限制應用的市場普及。

　　3.實際使用存在隱私泄露與數據濫用風險。

　　空間計算涉及的數據維度與類型增加，個人隱私數據與周邊環境信息被全方位收集。空間計算實際使用需要收集包括位置定位、生物特征、生理信息等敏感個人數據，并通過攝像頭、傳感器等設備追蹤用戶行為及所處環境信息。同時云、終端以及其他設備之間的數據傳輸與共享，使得數據及信息的安全與管控更為復雜，面臨數據安全風險。

　　相關啟示

　　1.完善產業及關鍵技術布局。

　　一是通過研究課題、政策傾斜、資金補貼等手段鼓勵科研機構、央國企與科技企業協同布局空間計算軟硬件研發及突破創新。二是加大關鍵技術研發投入，進一步推進中高端傳感器、芯片、3D引擎、動作追蹤等關鍵軟硬件技術攻關，鼓勵終端設備商與芯片廠商聯合設計SoC芯片，實現關鍵環節及技術自主掌控。

　　2.打造空間計算+AI的聯合產業生態應用。

　　一是建立空間計算產業聯盟，聯合產業鏈上下游共同制定和完善統一的空間計算框架、軟件生態、硬件等標準體系，并推進產業生態融通互促及跨領域行業應用合作。二是聚焦AI+空間計算的集成應用，打造空間計算智能體商店等創新商業模式，通過創新大賽等形式鼓勵開發者基于大模型構建空間計算原生應用，推動在汽車制造業等實體經濟的轉型升級和規模應用。

　　3.強化相關數據安全監管。

　　一是將空間計算應用場景納入監管范圍，細化終端與應用對用戶行為及環境數據收集的監管力度。二是監督企業對數據進行脫敏與匿名處理，針對個人身份、生物識別、環境采集等數據進行重點篩查，加強數據出境的安全管控。

　　注釋

　　1.根據美國參數技術公司(PTC)的定義，空間計算是涉及機器、人、物體及其發生環境的活動的數字化，以實現和優化操作和交互。

　　2.參考：清華五道口科創金融研究中心發布的《2024空間計算行業圖譜》研究報告。

　　本文作者

　　趙靜

　　戰略發展研究所

　　二級分析師

　　碩士，主要從事云網融合關鍵技術及行業研究，專注于智算、光網絡、數字孿生等領域研究。

　　孫雪媛

　　戰略發展研究所

　　一級分析師

　　主要從事數據中心、智算、IP網絡等方向的研究及標準規范制定工作。

　　王田媛

　　戰略發展研究所

　　副主任分析師

　　主要從事云計算行業市場、技術架構及演進路徑規劃研究。

　　劉小歐

　　大數據與人工智能研究所

　　區塊鏈與元宇宙中心副總監

　　碩士，主要從事人工智能、區塊鏈領域技術研究及國際標準化工作，近期聚焦于網絡Al Agent等領域。

　　商興宇

　　大數據與人工智能研究所

　　工程師

　　碩士，IEEE國際標準P3438工作組主席，主要研究方向為人工智能、區塊鏈及國際標準化等領域。