AI正在“吸干”全球電力 更可怕的事還在后面

近年來，人工智能（AI）的崛起引起了廣泛的討論和擔憂，很多人擔心AI會造成失業(yè)率飆升，而有些樂觀的朋友則戲稱“只要電費貴過饅頭，AI就永遠不能完全代替人”。

雖然這是句玩笑話，但背后則是實實在在的AI能耗問題，越來越多的人擔憂高能耗將成為制約AI發(fā)展的瓶頸。

就在不久前，技術創(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到底有多費電？

科比特稱，訓練GPT-6的微軟工程師們正忙著搭建IB網(wǎng)絡（InfiniBand），把分布在不同地區(qū)的GPU連接起來。這項工作很困難，但他們別無選擇，因為如果把超過10萬塊H100芯片部署在同一個地區(qū)，電網(wǎng)就會崩潰。

來源：X@corbtt為什么這些芯片集中起來會導致電網(wǎng)崩潰的后果呢？讓我們來簡單算一筆賬。

英偉達網(wǎng)站上公布的數(shù)據(jù)顯示，每塊H100芯片的峰值功率為700W，10萬塊H100峰值功耗最高可達7000萬W。而X評論區(qū)有能源行業(yè)從業(yè)者指出，10萬塊芯片的總能耗將相當于一座小型太陽能或風能發(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施的能耗，包括服務器和冷卻設備。這么多耗電設施，集中在一小片區(qū)域，給電網(wǎng)帶來的壓力可想而知。

AI耗電，冰山一角

關于AI能耗問題，《紐約客》的報道一度引起廣泛關注。報道估算，ChatGPT每日耗電量或超過50萬千瓦時。（參見：ChatGPT日耗電超50萬度，卡死AI發(fā)展的竟然是能源？）實際上，目前AI耗電量雖然看上去是個天文數(shù)字，但仍然遠遠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)展的不僅是技術本身的能耗，還有配套基礎設施的能耗，以及電網(wǎng)的承載力。

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

但是，報告同時顯示，目前直接投入AI研發(fā)的能耗遠低于數(shù)據(jù)中心和加密貨幣。英偉達在AI服務器市場中占據(jù)約95%的份額，2023年供應了約10萬塊芯片，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，與整個荷蘭的用電量相當。

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)中心的能耗估計值（柱狀圖從下往上依次展示）?？梢?，目前AI耗電量遠低于數(shù)據(jù)中心和加密貨幣。圖片來源：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）評估，即消耗的所有能源與IT負載消耗的能源的比值。能效比越接近于1，表明數(shù)據(jù)中心浪費的能源越少。

數(shù)據(jù)中心標準組織Uptime Institute發(fā)布的報告顯示，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，數(shù)據(jù)中心的IT設備每消耗1度電，其配套設備就消耗0.59度電。

數(shù)據(jù)中心的額外能耗中，絕大部分應用于冷卻系統(tǒng)。一項調查研究顯示，冷卻系統(tǒng)消耗的能量可達數(shù)據(jù)中心總能耗的40%。近些年，隨著芯片更新?lián)Q代，單臺設備的功率增大，數(shù)據(jù)中心的功率密度（即單位面積耗電量）不斷提升，對散熱提出了更高的要求。

但與此同時，通過改進數(shù)據(jù)中心設計，就能大幅減少能量的浪費。因為冷卻系統(tǒng)、結構設計等各方面的差異，不同數(shù)據(jù)中心的能效比差異很大。

Uptime Institute報告顯示，歐洲國家已經(jīng)把能效比降到了1.46，而在亞太地區(qū)仍有超過十分之一的數(shù)據(jù)中心能效比超過2.19。

世界各國正在采取措施，敦促數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)節(jié)能減排的目標。其中，歐盟要求大型數(shù)據(jù)中心設立余熱回收設備；美國政府注資研發(fā)更高能效的半導體；中國政府也出臺措施，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，到2032年達到100%。

科技公司用電，節(jié)流難開源更難

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)模不斷擴大。據(jù)國際能源署（IEA）統(tǒng)計，在2022年美國擁有2700座數(shù)據(jù)中心，消耗了全國用電量的4%，并預測這一比例到2026年將達到6%。

隨著美國東西海岸用地越發(fā)緊張，數(shù)據(jù)中心逐步向愛荷華州、俄亥俄州等中部地區(qū)轉移，但這些二線地區(qū)原有的產(chǎn)業(yè)并不發(fā)達，電力供應可能無法滿足需求。

一些技術公司嘗試擺脫電網(wǎng)的束縛，直接從小型核電站購買電能，但這種用電方式和新建核電站都要面臨復雜的行政流程。

微軟嘗試使用AI輔助完成申請，而谷歌使用AI進行運算任務調度，以提高電網(wǎng)運行效率，降低企業(yè)碳排放。至于可控核聚變何時投入應用，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。氣候變暖會導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)負擔，還會直接沖擊電網(wǎng)設施。

IEA報告指出，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的最低值，不足40%。天然氣往往被視為向可再生能源轉型過程中的一座橋梁，但它在冬季極端天氣下并不穩(wěn)定。

2021年，寒潮襲擊美國得克薩斯州，導致大面積斷電，部分居民家中斷電超過70小時。這次災難的一個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（North American Electric Reliability Council，簡稱NERC）預測，在2024-2028年，美國、加拿大有超過300萬人口面臨越來越高的斷電風險。為保障能源安全，同時實現(xiàn)節(jié)能減排，許多國家也將核電站視為一種過渡措施。

在2023年12月舉辦的聯(lián)合國應對氣候變化委員會第28次峰會（COP 28）上，22個國家簽署聯(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，隨著中國、印度等國大力推進核電建設，IEA預測到2025年，全球核電發(fā)電量將達到歷史新高。

IEA報告指出：“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)基礎設施，不僅關系到AI技術的發(fā)展，更是關乎國計民生。