年用電最高1.3萬億度，智能算力引爆新型電力系統(tǒng)

　　智能算力是一種靈活的負(fù)荷，可以尋找到在空間上和時間上合適的綠電。這就要求全國建立起新型電力系統(tǒng)，包括對電力市場、電力系統(tǒng)、源網(wǎng)荷儲碳一體化的配電網(wǎng)，微電網(wǎng)系統(tǒng)的創(chuàng)新與部署。

　　人工智能(AI)技術(shù)席卷全球，AI背后的基石是算力，算力背后則是巨量的能源消耗。生成式AI革命，正與能源革命耦合在一起。

　　能耗的急劇上升，又讓碳排放問題日漸嚴(yán)重，威脅氣候目標(biāo)的實現(xiàn)。智能算力的提供者及主要使用者，包括谷歌、微軟、亞馬遜等，都提出了100%使用綠色電力、實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)和路線圖。

　　如果清潔能源供應(yīng)不足，電力基礎(chǔ)設(shè)施不向新能源轉(zhuǎn)型，人工智能的發(fā)展也會被“卡脖子”。

　　中國是全球第二智能算力大國，正在部署 AI+ 戰(zhàn)略。中國面臨建設(shè)算力經(jīng)濟(jì)與清潔電力的統(tǒng)一大市場的歷史機(jī)遇，相關(guān)頂層設(shè)計正在陸續(xù)出臺。

　　8月6日，國家發(fā)改委、國家能源局、國家數(shù)據(jù)局聯(lián)合發(fā)文加快新型電力系統(tǒng)建設(shè)，算力與電力協(xié)同正是重點項目之一。

　　7月23日，國家發(fā)改委等四部門印發(fā)《數(shù)據(jù)中心綠色低碳發(fā)展專項行動計劃》，明確提出，到2025年底，國家樞紐節(jié)點新建數(shù)據(jù)中心綠電占比超過 80%;到 2030 年底，全國數(shù)據(jù)中心平均電能利用效率、單位算力能效和碳效達(dá)到國際先進(jìn)水平。

　　在此約束下，數(shù)據(jù)中心如何迎接“綠色大考”?中國智能算力到底需要多少清潔電力?綠色算力與綠色電力區(qū)位條件如何?有哪些先進(jìn)案例和經(jīng)驗值得學(xué)習(xí)借鑒?

　　圍繞這些問題，環(huán)球零碳研究中心與未盡研究8月7日聯(lián)合發(fā)布《AI 改變能源——智算如何引領(lǐng)新型電力系統(tǒng)》報告，其中指出，中國的人工智能要在碳達(dá)峰目標(biāo)的約束下追趕美國，算力與電力問題需要重估。

　　報告估算出，從2023年到2030年，中國智能算力規(guī)模將以每年70%的復(fù)合增長率持續(xù)攀升。至2030 年，全國智算中心年用電量在0.6萬億度-1.3萬億度，約占當(dāng)年全社會用電量的5%-10%。

　　報告還介紹了遠(yuǎn)景科技集團(tuán)利用新型能源管理系統(tǒng)，應(yīng)用于中國多個綠色智算中心的示范項目，以及谷歌對全球所有智算中心和園區(qū)將實現(xiàn)24/7無碳能源運營的嘗試。

　　中國智能算力規(guī)模增長預(yù)測：70%的增速是合理且必要的

　　報告認(rèn)為，美國的算力增長預(yù)期，分歧重點在市場;中國算力增長預(yù)期，不確定性主要在技術(shù)。

　　對于中國而言，國產(chǎn)芯片的迭代速度與產(chǎn)能瓶頸，即芯片能效提升預(yù)期，以及算力增長預(yù)期中的算力供給問題，是影響中國智算用電量的關(guān)鍵因素。

　　報告認(rèn)為，在樂觀情況下，如果中國能夠突破封鎖，建立起比較完整的芯片產(chǎn)業(yè)鏈，芯片技術(shù)持續(xù)迭代升級，能效持續(xù)提升，那么，以中國制造“過剩”的能力，決定用電量的將是算力需求而不是供給。

　　中國智能算力規(guī)模正在爆發(fā)式增長。在國家政策、市場競爭的推動下，中國各地規(guī)劃的智算規(guī)?？偭?，已經(jīng)超過了全國的計劃目標(biāo);智算規(guī)模實際部署速度，也要快于計劃文件的目標(biāo)。

　　在國家“適度超前建設(shè)算力基礎(chǔ)設(shè)施”的鼓勵下，報告認(rèn)為，中國智能計算中心算力規(guī)模保證70%的增速是合理且必要的。到2030年，中國智算規(guī)模將達(dá)到 2886 EFLOPS。

　　得出這個結(jié)論的依據(jù)是，工信部《新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展三年行動計劃(2021-2023年)》將 FP32 作為國內(nèi)數(shù)據(jù)中心算力的計算基準(zhǔn);工信部旗下信通院《中國算力發(fā)展指數(shù)白皮書(2023 年)》在對包括數(shù)據(jù)中心與智能計算中心的基礎(chǔ)設(shè)施算力進(jìn)行規(guī)模測算時，統(tǒng)一折算為 FP32 精度。

　　按這個基準(zhǔn)，參照英偉達(dá)各代 GPU 的性能參數(shù)，到 2030 年，技術(shù)保守情景約需要 14700 萬張等效 A100;技術(shù)樂觀情景則需要累計部署等效的 1700 萬張A100，970 萬張 H100，1125 萬張 B200。

　　2030年中國智算年用電最高1.3萬億度

　　算力增長情況確定后，那么驅(qū)動算力運行的能耗又是多少呢?

　　智算中心要完成訓(xùn)練與推理任務(wù)，所需關(guān)鍵 IT 設(shè)備不僅包括 AI 芯片，還包括驅(qū)動這些 AI 芯片正常運行的其他必要組件，即服務(wù)器上的 CPU、網(wǎng)卡、供電單元等，以及服務(wù)器間的存儲服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、CPU 節(jié)點、光纖收發(fā)器和許多其他設(shè)備。

　　因此，要在智算中心驅(qū)動一張 GPU 芯片，實際需要額外消耗近1倍的電力。

　　報告得出結(jié)論認(rèn)為，至2030年，智算中心的總裝機(jī)容量將達(dá)到 70GW-150GW(如果考慮到風(fēng)光可再生能源的容量因數(shù)，實際需要的總裝機(jī)容量將達(dá)到 300GW-600GW);一年 365 天，每天 24 小時，智算中心的年用電量在 0.6 萬億度 -1.3萬億度左右(600TWh-1300TWh)。

　　如果中國全社會用電量繼續(xù)按近十年的趨勢增長，那么，到 2030 年，中國智能計算中心年用電量將占該年全社會用電量 5%-10%，成為新的重點用能行業(yè)。智算中心新增用電量占當(dāng)年全國全社會新增用電量的 27%-77%。智算中心成為中國用電量增長主力，智算經(jīng)濟(jì)帶來的電力消費增量，是影響新型電力系統(tǒng)的最大變量之一。

　　新型電力系統(tǒng)：綠色電力如何匹配算力

　　此外，在國家東數(shù)西算以及八大樞紐和十大集群的總體布局下，報告進(jìn)一步分析了各省的智算能力和清潔電力資源的現(xiàn)狀及未來，將如何在支持國家人工智能發(fā)展大計的同時，推動本地的經(jīng)濟(jì)數(shù)字化與智能化。

　　報告認(rèn)為，就全國總量而言，中國豐富的綠電供給潛力，可以滿足智算用電需求。到2030年，中國省級電網(wǎng)碳排因子將大幅下降，即使不包括核電，綠電年發(fā)電量規(guī)模將達(dá)到5.5萬億度;包括核電則有望達(dá)到7.80萬億度。

　　但受各地數(shù)字經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)與風(fēng)光資源等限制，目前各地的智算用電規(guī)模與綠電發(fā)電規(guī)模存在時空錯配。一方面，受當(dāng)?shù)財?shù)字經(jīng)濟(jì)、人才與技術(shù)等因素影響，智算中心發(fā)展初期主要在綠電供給不充分的東部;即使在東數(shù)西算的總體布局下，延遲敏感任務(wù)仍然必須由部署在本地的算力完成。另一方面，新能源存在晝夜、季節(jié)等波動，難以直接滿足智算中心對電力系統(tǒng)“7×24”不間斷穩(wěn)定供應(yīng)的要求。

　　到2030年，長三角和京津冀的智算綠電壓力仍然不小，它們也是電動汽車與數(shù)字化工業(yè)對綠電需求迅速攀升的地區(qū)，需要積極探索在當(dāng)?shù)赝诰虬êＩ巷L(fēng)電或核電等的清潔電力資源，完善跨省綠電交易機(jī)制;綠電優(yōu)勢明顯的省份，既可以積極響應(yīng)東部地區(qū)的綠電或智算調(diào)度，還可以分別面向中亞、東南亞等地，建設(shè)綠色智能經(jīng)濟(jì)的“一帶一路”。

　　從火電時代到綠電時代，源隨荷變需要轉(zhuǎn)變?yōu)樵春苫?。在可再生能源為主的電力系統(tǒng)中，計算是一種靈活的負(fù)荷，可以尋找到在空間上和時間上合適的綠電。這就要求全國建立起新型電力系統(tǒng)，包括對電力市場、電力系統(tǒng)、源網(wǎng)荷儲碳一體化的配電網(wǎng)，微電網(wǎng)系統(tǒng)的創(chuàng)新與部署。

　　同時，不僅要讓算力參與需求響應(yīng)，發(fā)揮出類似儲能的調(diào)節(jié)功能，也要讓基于智能系統(tǒng)之上的能源服務(wù)(EaaS)，成為新型電力系統(tǒng)商業(yè)模式，為消納問題和負(fù)電價問題提供創(chuàng)新的解決方向。

　　算力革命將成為能源革命的一部分。新型電力系統(tǒng)與智能算力系統(tǒng)，互相創(chuàng)造了需求，互為最要的應(yīng)用情景之一。那些引領(lǐng) AI 的科技巨頭和數(shù)字經(jīng)濟(jì)企業(yè)，在算力基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的投資、應(yīng)用與創(chuàng)新，將延伸到新型能源系統(tǒng)領(lǐng)域，它們將為AI的大規(guī)模應(yīng)用支付“綠色溢價”。讓智算率先實現(xiàn)凈零碳電力，為工業(yè)、建筑、交通運輸?shù)雀嗟牟块T提供關(guān)鍵的實踐和成功的先例。

　　求解智算中心面臨電力需求的“不可能三角”

　　智算中心面臨電力需求的“不可能三角”：穩(wěn)定電力供應(yīng)，控制電力成本，減少碳足跡。

　　報告指出，可以通過 AI 模型，以及基于大模型的智能體來優(yōu)化和解決。比如源網(wǎng)荷儲碳一體的配電網(wǎng)，以及基于數(shù)字化和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的微電網(wǎng)，都是實現(xiàn) 24/7 全天候無碳能源的重要技術(shù)路徑。

　　全球范圍內(nèi)，一些新能源系統(tǒng)企業(yè)和網(wǎng)絡(luò)科技巨頭，都在進(jìn)行這方面的探索。

　　比如遠(yuǎn)景科技集團(tuán)，通過其所設(shè)計的能源管理系統(tǒng)，已經(jīng)應(yīng)用于中國的多個綠色智算中心示范項目。

　　遠(yuǎn)景通過AI算法與氣候大模型等技術(shù)，實現(xiàn)天氣、發(fā)電功率、負(fù)荷能力的精準(zhǔn)預(yù)測，為烏蘭察布國家級綠色數(shù)據(jù)中心示范項目提供了關(guān)鍵解決方案。

　　遠(yuǎn)景還基于智能物聯(lián)操作系統(tǒng)EnOS，以高精度預(yù)測、多目標(biāo)及多時間尺度優(yōu)化策略，打通微網(wǎng)協(xié)同調(diào)度系統(tǒng)全鏈路，覆蓋源網(wǎng)荷儲，提供基于云計算和邊緣計算一體的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)接入和高階應(yīng)用產(chǎn)品套件

　　遠(yuǎn)景解決方案還應(yīng)用于張家口集算力集群，這是中國最大的“源網(wǎng)荷儲”一體化項目，率先探索實現(xiàn)綠色算力體系，項目同時啟動風(fēng)電、光伏與大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)基地的建設(shè)，可再生能源使用比例可達(dá)100%，實現(xiàn)“投產(chǎn)即零碳”效應(yīng)。

　　谷歌也進(jìn)行了這方面的嘗試。谷歌承諾到 2030 年，其全球所有智算中心和園區(qū)將實現(xiàn) 24/7 無碳能源運營，并通過這幾項主要舉措來實現(xiàn)：購買無碳能源、優(yōu)化能源數(shù)據(jù)和使用，開發(fā)下一代能源技術(shù)以及微電網(wǎng)。

　　為了跟蹤清潔能源數(shù)據(jù)，2023 年，谷歌參與發(fā)起了“粒度證書交易聯(lián)盟”，致力于建立一個小時證書市場，以每小時能源匹配的方式，主張在時間和地點上將其數(shù)據(jù)中心電力消費與清潔能源發(fā)電量相匹配。谷歌的碳智能計算平臺可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐臒o碳能源可用性，優(yōu)化計算任務(wù)的時間和位置，進(jìn)而將智算中心的部分計算任務(wù)轉(zhuǎn)移到當(dāng)?shù)靥柲芎惋L(fēng)能最充足的時間段。

　　報告最后認(rèn)為，中國已經(jīng)具備了規(guī)模與技術(shù)領(lǐng)先的能力，把豐富的風(fēng)光資源轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嶋娏?只有在新型電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)整個經(jīng)濟(jì)的綠色“換血”，才有可能讓無限 供應(yīng)的清潔能源，通過應(yīng)用創(chuàng)新轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌纳a(chǎn)力。人工智能既是其中最大的應(yīng)用創(chuàng)新領(lǐng)域，也是其他所有應(yīng)用創(chuàng)新領(lǐng)域的賦能器、放大器和加速器。

　　來源：環(huán)球零碳 撰文 | Yinyin