近年來(lái)，人工智能（AI）的崛起引起了廣泛的討論和擔(dān)憂，很多人擔(dān)心 AI 會(huì)造成失業(yè)率飆升，而有些樂(lè)觀的朋友則戲稱“只要電費(fèi)貴過(guò)饅頭，AI 就永遠(yuǎn)不能完全代替人”。

雖然這是句玩笑話，但背后則是實(shí)實(shí)在在的AI能耗問(wèn)題，越來(lái)越多的人擔(dān)憂高能耗將成為制約 AI 發(fā)展的瓶頸。就在不久前，技術(shù)創(chuàng)業(yè)者、前谷歌工程師凱爾·科比特（Kyle Corbitt）在社交媒體 X 上表示，微軟已經(jīng)遇到了這方面的難題。

AI 到底有多費(fèi)電？

科比特稱，訓(xùn)練 GPT-6 的微軟工程師們正忙著搭建 IB 網(wǎng)絡(luò)（InfiniBand），把分布在不同地區(qū)的 GPU 連接起來(lái)。這項(xiàng)工作很困難，但他們別無(wú)選擇，因?yàn)槿绻殉^(guò) 10 萬(wàn)塊 H100 芯片部署在同一個(gè)地區(qū)，電網(wǎng)就會(huì)崩潰。

來(lái)源：X@corbtt

為什么這些芯片集中起來(lái)會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰的后果呢？讓我們來(lái)簡(jiǎn)單算一筆賬。

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英偉達(dá)網(wǎng)站上公布的數(shù)據(jù)顯示，每塊 H100 芯片的峰值功率為 700W，10 萬(wàn)塊 H100 峰值功耗最高可達(dá) 7000 萬(wàn)W。而 X 評(píng)論區(qū)有能源行業(yè)從業(yè)者指出，10 萬(wàn)塊芯片的總能耗將相當(dāng)于一座小型太陽(yáng)能或風(fēng)能發(fā)電廠的全部輸出。除此之外，還要考慮這么多芯片的配套設(shè)施的能耗，包括服務(wù)器和冷卻設(shè)備。這么多耗電設(shè)施，集中在一小片區(qū)域，給電網(wǎng)帶來(lái)的壓力可想而知。

AI 耗電，冰山一角

關(guān)于 AI 能耗問(wèn)題，《紐約客》的報(bào)道一度引起廣泛關(guān)注。報(bào)道估算，ChatGPT 每日耗電量或超過(guò) 50 萬(wàn)千瓦時(shí)。（參見(jiàn)：ChatGPT 日耗電超 50 萬(wàn)度，卡死AI發(fā)展的竟然是能源？）實(shí)際上，目前AI耗電量雖然看上去是個(gè)天文數(shù)字，但仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及加密貨幣和傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心。而微軟工程師遇到的難題也表明，制約 AI 發(fā)展的不僅是技術(shù)本身的能耗，還有配套基礎(chǔ)設(shè)施的能耗，以及電網(wǎng)的承載力。

國(guó)際能源署（IEA）發(fā)布的一份報(bào)告顯示，2022 年全球數(shù)據(jù)中心、人工智能和加密貨幣的耗電量達(dá)到 460 TWh，占全球能耗的近 2%。IEA 預(yù)測(cè)，在最糟糕的情況下，到 2026 年這些領(lǐng)域的用電量將達(dá) 1000 TWh，與整個(gè)日本的用電量相當(dāng)。

但是，報(bào)告同時(shí)顯示，目前直接投入 AI 研發(fā)的能耗遠(yuǎn)低于數(shù)據(jù)中心和加密貨幣。英偉達(dá)在 AI 服務(wù)器市場(chǎng)中占據(jù)約 95%的份額，2023 年供應(yīng)了約 10 萬(wàn)塊芯片，每年耗電量約為 7.3 TWh。但是在 2022 年，加密貨幣的能耗為 110 TWh，與整個(gè)荷蘭的用電量相當(dāng)。

圖注：2022 年與 2026 年，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心、加密貨幣、AI 數(shù)據(jù)中心的能耗估計(jì)值（柱狀圖從下往上依次展示）?？梢?jiàn)，目前 AI 耗電量遠(yuǎn)低于數(shù)據(jù)中心和加密貨幣。圖片來(lái)源：IEA

冷卻能耗，不容忽視

數(shù)據(jù)中心的能效通常用能效比（Power Usage Effectiveness）評(píng)估，即消耗的所有能源與 IT 負(fù)載消耗的能源的比值。能效比越接近于 1，表明數(shù)據(jù)中心浪費(fèi)的能源越少。數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)組織 Uptime Institute 發(fā)布的報(bào)告顯示，2020 年全球大型數(shù)據(jù)中心的平均能效比約為 1.59。也就是說(shuō)，數(shù)據(jù)中心的 IT 設(shè)備每消耗 1 度電，其配套設(shè)備就消耗 0.59 度電。

數(shù)據(jù)中心的額外能耗中，絕大部分應(yīng)用于冷卻系統(tǒng)。一項(xiàng)調(diào)查研究顯示，冷卻系統(tǒng)消耗的能量可達(dá)數(shù)據(jù)中心總能耗的 40%。近些年，隨著芯片更新?lián)Q代，單臺(tái)設(shè)備的功率增大，數(shù)據(jù)中心的功率密度（即單位面積耗電量）不斷提升，對(duì)散熱提出了更高的要求。但與此同時(shí)，通過(guò)改進(jìn)數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)，就能大幅減少能量的浪費(fèi)。

因?yàn)槔鋮s系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等各方面的差異，不同數(shù)據(jù)中心的能效比差異很大。Uptime Institute 報(bào)告顯示，歐洲國(guó)家已經(jīng)把能效比降到了 1.46，而在亞太地區(qū)仍有超過(guò)十分之一的數(shù)據(jù)中心能效比超過(guò) 2.19。

世界各國(guó)正在采取措施，敦促數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。其中，歐盟要求大型數(shù)據(jù)中心設(shè)立余熱回收設(shè)備；美國(guó)政府注資研發(fā)更高能效的半導(dǎo)體；中國(guó)政府也出臺(tái)措施，要求數(shù)據(jù)中心從 2025 年起能效比不高于 1.3，并將可再生能源使用比例逐年上調(diào)，到 2032 年達(dá)到 100%。

圖注：2020 年，全球各地大型數(shù)據(jù)中心的能效比。從左到右依次為：非洲、亞太地區(qū)、歐洲、拉丁美洲、中東、俄羅斯及獨(dú)聯(lián)體國(guó)家、美國(guó)和加拿大。圖片來(lái)源：Uptime Institute

科技公司用電，節(jié)流難開(kāi)源更難

隨著加密貨幣和 AI 的發(fā)展，各大科技公司的數(shù)據(jù)中心規(guī)模不斷擴(kuò)大。據(jù)國(guó)際能源署（IEA）統(tǒng)計(jì)，在 2022 年美國(guó)擁有 2700 座數(shù)據(jù)中心，消耗了全國(guó)用電量的 4%，并預(yù)測(cè)這一比例到 2026 年將達(dá)到 6%。隨著美國(guó)東西海岸用地越發(fā)緊張，數(shù)據(jù)中心逐步向愛(ài)荷華州、俄亥俄州等中部地區(qū)轉(zhuǎn)移，但這些二線地區(qū)原有的產(chǎn)業(yè)并不發(fā)達(dá)，電力供應(yīng)可能無(wú)法滿足需求。

一些技術(shù)公司嘗試擺脫電網(wǎng)的束縛，直接從小型核電站購(gòu)買(mǎi)電能，但這種用電方式和新建核電站都要面臨復(fù)雜的行政流程。微軟嘗試使用 AI 輔助完成申請(qǐng)，而谷歌使用 AI 進(jìn)行運(yùn)算任務(wù)調(diào)度，以提高電網(wǎng)運(yùn)行效率，降低企業(yè)碳排放。至于可控核聚變何時(shí)投入應(yīng)用，目前仍然是未知數(shù)。

氣候變暖，雪上加霜

AI 的研發(fā)需要穩(wěn)定而強(qiáng)大的電網(wǎng)支持，但隨著極端天氣頻發(fā)，許多地區(qū)的電網(wǎng)正在變得更加脆弱。氣候變暖會(huì)導(dǎo)致更加頻繁的極端天氣事件，不僅造成用電需求激增，加重電網(wǎng)負(fù)擔(dān)，還會(huì)直接沖擊電網(wǎng)設(shè)施。IEA 報(bào)告指出，受干旱、降雨不足和提早融雪的影響，2023 年全球水力發(fā)電占比下跌到三十年來(lái)的最低值，不足 40%。

天然氣往往被視為向可再生能源轉(zhuǎn)型過(guò)程中的一座橋梁，但它在冬季極端天氣下并不穩(wěn)定。2021 年，寒潮襲擊美國(guó)得克薩斯州，導(dǎo)致大面積斷電，部分居民家中斷電超過(guò) 70 小時(shí)。這次災(zāi)難的一個(gè)主要原因就是天然氣管道冰凍，造成天然氣發(fā)電廠停擺。北美電力可靠性委員會(huì)（North American Electric Reliability Council，簡(jiǎn)稱 NERC）預(yù)測(cè)，在 2024-2028 年，美國(guó)、加拿大有超過(guò) 300 萬(wàn)人口面臨越來(lái)越高的斷電風(fēng)險(xiǎn)。

為保障能源安全，同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，許多國(guó)家也將核電站視為一種過(guò)渡措施。在 2023 年 12 月舉辦的聯(lián)合國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化委員會(huì)第 28 次峰會(huì)（COP 28）上，22 個(gè)國(guó)家簽署聯(lián)合聲明，承諾到 2050 年將核能發(fā)電能力提升到 2020 年水平的 3 倍。與此同時(shí)，隨著中國(guó)、印度等國(guó)大力推進(jìn)核電建設(shè)，IEA 預(yù)測(cè)到 2025 年，全球核電發(fā)電量將達(dá)到歷史新高。

“華龍一號(hào)”航拍。圖庫(kù)版權(quán)圖片，不授權(quán)轉(zhuǎn)載

IEA 報(bào)告指出：“在變化的氣候模式面前，提高能源多樣化、提升電網(wǎng)跨區(qū)域調(diào)度能力和采取更加抗沖擊的發(fā)電方式將變得越發(fā)重要。” 保障電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，不僅關(guān)系到 AI 技術(shù)的發(fā)展，更是關(guān)乎國(guó)計(jì)民生。

參考文獻(xiàn)

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[6] Jeremy Hsu. US grid vulnerable to power outages due to its reliance on gas. New Scientist. https://www.newscientist.com/article/2411905-us-grid-vulnerable-to-power-outages-due-to-its-reliance-on-gas/. <2024-01-11/2024-04-09>.

[7] Jeremy Hsu. Much of North America may face electricity shortages starting in 2024. New Scientist. https://www.newscientist.com/article/2409679-much-of-north-america-may-face-electricity-shortages-starting-in-2024. <2023-12-23/2024-04-09>.

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作者丨瑪雅藍(lán) 科普創(chuàng)作者

審核丨于旸 騰訊玄武實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人

策劃丨徐來(lái) 丁崝

責(zé)編丨丁崝

審校丨徐來(lái) 林林