AI盡頭是電力，隨著AI技術(shù)的廣泛應(yīng)用和深入發(fā)展，其背后的算力需求激增，進(jìn)而引發(fā)了全球?qū)?shù)據(jù)中心及計(jì)算設(shè)備能耗激增的廣泛關(guān)注。據(jù)權(quán)威統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，AI技術(shù)的普及與應(yīng)用已顯著推動(dòng)了全球數(shù)據(jù)中心能耗的攀升，成為能源特別是電力消耗的一大推手，這也是人們?cè)谧非罂萍歼M(jìn)步的同時(shí)，需要亟待解決的重要議題。

全球AI耗電現(xiàn)狀

總體來看，伴隨著人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及產(chǎn)業(yè)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，作為重要支撐的數(shù)據(jù)中心耗電總量和占比大幅上升。據(jù)測(cè)算，AI大語言模型GPT-3一次訓(xùn)練的耗電量就達(dá)1287兆瓦時(shí)，大概相當(dāng)于3000輛特斯拉電動(dòng)汽車共同開跑、每輛車跑20萬英里所耗電量的總和。ChatGPT按每天響應(yīng)約2億個(gè)請(qǐng)求計(jì)算，這一過程消耗超過50萬度電。國(guó)際能源署2024年1月發(fā)布報(bào)告稱，2022年全球數(shù)據(jù)中心的總耗電量約460太瓦時(shí)（1太瓦時(shí)=1×10?千瓦時(shí)=10億度），約占全球用電量的2%；到2026年，這一數(shù)據(jù)將超過1000太瓦時(shí)，大約是整個(gè)日本2022年全年的用電量。與此同時(shí)，大量的碳排放和數(shù)百萬加侖淡水的消耗也不容小覷。

歐美等國(guó)家AI耗電形勢(shì)嚴(yán)峻。以跨國(guó)公司數(shù)據(jù)中心“扎堆”的愛爾蘭為例，數(shù)據(jù)中心的耗電量已超過該國(guó)所有城市家庭用電量的總和，占比約為21%。波士頓咨詢集團(tuán)則預(yù)計(jì)，到2030年，美國(guó)數(shù)據(jù)中心的用電量將是2022年的三倍，而這一增幅主要來自人工智能。OpenAI首席執(zhí)行官薩姆·奧特曼和特斯拉首席執(zhí)行官馬斯克都曾多次表達(dá)了對(duì)電力供應(yīng)的擔(dān)憂。

從中國(guó)來看，AI耗能問題也是日益嚴(yán)重。2022年全年，我國(guó)數(shù)據(jù)中心耗電量達(dá)到2700億千瓦時(shí)，占全社會(huì)用電量約3%。預(yù)計(jì)到2025年，這一占比將提升至5%，到2030年全國(guó)數(shù)據(jù)中心耗電量將接近4000億千瓦時(shí)，數(shù)據(jù)中心的節(jié)能降耗迫在眉睫。數(shù)據(jù)中心是數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基石，從全國(guó)一體化大數(shù)據(jù)中心體系構(gòu)想到部署“東數(shù)西算”，數(shù)字中國(guó)戰(zhàn)略持續(xù)深化落地，算力不斷提高，必然需要更高的能源電力，7×24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行，電力成本占運(yùn)營(yíng)總成本的60%—70%，規(guī)模增長(zhǎng)迅速。伴隨著我國(guó)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和數(shù)據(jù)中心規(guī)模不斷擴(kuò)大，耗電量會(huì)持續(xù)攀升。

總之，人工智能及支撐它的數(shù)據(jù)中心所帶來的耗電問題困擾著全世界，是制約人工智能技術(shù)飛速發(fā)展的主要障礙之一。

AI為何成為耗電大戶

AI成為耗電大戶的原因比較復(fù)雜，涉及數(shù)據(jù)處理、計(jì)算需求、芯片技術(shù)、算力中心等多個(gè)方面。

首先，從芯片上分析，大語言模型需要巨大的算力支撐，特別是擁有并行計(jì)算能力的GPU（圖形處理器）。在大模型訓(xùn)練過程中，需要多塊GPU接連不斷運(yùn)轉(zhuǎn)，一塊GPU的能耗比CPU（中央處理器）高出10—15倍。如一塊英偉達(dá)A100GPU功耗為400瓦。GPT-3訓(xùn)練用到了1024塊A100芯片，而GPT-4更攀升至25000塊，后續(xù)將更新至H100、B200，型號(hào)的提升和數(shù)量的激增導(dǎo)致能耗顯著增加。到2027年，英偉達(dá)將推出150萬臺(tái)A100服務(wù)器，其中95%被應(yīng)用于AI行業(yè)。每一臺(tái)服務(wù)器如果內(nèi)置8塊A100芯片，以1240萬塊A100芯片的耗電量進(jìn)行估算，耗電量將高達(dá)85—134太瓦時(shí)，這個(gè)已接近瑞典或荷蘭全年總用電量，相當(dāng)于當(dāng)前全球用電量的0.5%。

其次，從運(yùn)行機(jī)制上分析。GPU架構(gòu)在AI計(jì)算中雖具備并行處理優(yōu)勢(shì)，非常適合AI算法，可以節(jié)省計(jì)算時(shí)間，但其當(dāng)前利用率較低（32%—36%），且故障率高，導(dǎo)致訓(xùn)練周期長(zhǎng)，如GPT-4訓(xùn)練耗時(shí)長(zhǎng)達(dá)90—100天，進(jìn)而引發(fā)長(zhǎng)期的能源消耗。相比之下，CPU歷經(jīng)近80年發(fā)展，技術(shù)成熟且節(jié)能高效；而GPU架構(gòu)出現(xiàn)不到30年，尚存利用率低與差錯(cuò)率高的挑戰(zhàn)，這導(dǎo)致了能源消耗的增加。因此，優(yōu)化GPU架構(gòu)以提高其效率和穩(wěn)定性，對(duì)于減少能源消耗至關(guān)重要。

最后，大語言模型遵從規(guī)模效應(yīng)，隨著參數(shù)和數(shù)據(jù)規(guī)模的提高，大模型的智能表現(xiàn)將出現(xiàn)躍升。因此，各大公司都在不斷地?cái)U(kuò)大模型規(guī)模，這給電能消耗帶來了巨大的壓力。如果大模型所用到的算力集中在一個(gè)數(shù)據(jù)中心里，在有限時(shí)空范圍內(nèi)進(jìn)行訓(xùn)練，會(huì)給局部電網(wǎng)帶來非常大的用電負(fù)荷，甚至導(dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)的崩潰。

AI耗電問題的解決方案

雖然AI的耗電量在社會(huì)總用電量中的占比不大，但與家庭用電量相比，已經(jīng)非?？捎^了，而且增速太快，如果不加以控制，將導(dǎo)致巨大能源壓力。因此如何應(yīng)對(duì)人工智能帶來的巨大能耗，是業(yè)界一直高度重視的問題。

首先，在技術(shù)層面，通過各種方法降低對(duì)芯片的功耗需求是業(yè)界努力的方向。英偉達(dá)、谷歌公司等做了很多的嘗試與努力，通過優(yōu)化算法模型，如犧牲一點(diǎn)性能以大大減少計(jì)算資源和時(shí)間，進(jìn)而帶來能耗效率的大幅提升；用光纖連接芯片，減少原有芯片外部的電力驅(qū)動(dòng)和電光/光電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，從而減少能耗；研發(fā)高效的芯片級(jí)散熱技術(shù)將散熱效率提升百倍；積極研發(fā)新型計(jì)算和傳輸架構(gòu)以提升計(jì)算機(jī)處理速度并降低能耗；等等。

其次，數(shù)據(jù)中心的能耗可以通過精心布局加以優(yōu)化。如針對(duì)能耗中的散熱問題，從最初的風(fēng)冷，到現(xiàn)在的液冷，各家企業(yè)都在嘗試各種方法為數(shù)據(jù)中心散熱：微軟曾嘗試部署海下數(shù)據(jù)中心，F(xiàn)acebook數(shù)據(jù)中心選址在北極圈附近，阿里云千島湖數(shù)據(jù)中心使用深層湖水制冷等，我國(guó)很多企業(yè)則把數(shù)據(jù)中心布局在水電資源豐富的西南地區(qū)。“東數(shù)西算”的原則也是對(duì)數(shù)據(jù)與算力進(jìn)行合理匹配，將大量的算力資源部署到西部地區(qū)，以降低能耗。

再次，在新能源層面，建立多樣化的能源利用體系。集中力量開發(fā)太陽能、風(fēng)能等可再生能源，擴(kuò)大應(yīng)用并加強(qiáng)儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)，確保穩(wěn)定供電。鼓勵(lì)企業(yè)探索建設(shè)分布式光伏發(fā)電、燃?xì)夥植际焦┠艿扰涮紫到y(tǒng)，引導(dǎo)新型數(shù)據(jù)中心向新能源發(fā)電側(cè)建設(shè)，就地消納新能源，推動(dòng)新型數(shù)據(jù)中心高效利用清潔能源和可再生能源、優(yōu)化用能結(jié)構(gòu)，助力信息通信行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)。同時(shí)，探索核聚變等前沿技術(shù)作為長(zhǎng)遠(yuǎn)清潔能源。

最后，在政策層面，制定嚴(yán)格的節(jié)能政策與標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)AI系統(tǒng)的能效實(shí)施有效監(jiān)管，以激勵(lì)企業(yè)采用高效低能耗的計(jì)算技術(shù)與硬件設(shè)備；積極推廣綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)，倡導(dǎo)采用高效冷卻、能源回收技術(shù)，并鼓勵(lì)數(shù)據(jù)中心采用可再生能源供電；建立健全電力消耗監(jiān)管機(jī)制，實(shí)時(shí)監(jiān)控并數(shù)據(jù)分析AI系統(tǒng)的能耗情況，提高能源管理水平，減少不必要的浪費(fèi)；加強(qiáng)國(guó)際合作與交流，共同應(yīng)對(duì)AI技術(shù)帶來的能源挑戰(zhàn)，分享成功經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)與資源，推動(dòng)全球范圍內(nèi)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的制定與實(shí)施，以實(shí)現(xiàn)能源利用的優(yōu)化與升級(jí)，減少對(duì)傳統(tǒng)電力的依賴，全面促進(jìn)人工智能產(chǎn)業(yè)的綠色低碳發(fā)展。