中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：美國(guó)生成式AI發(fā)展面臨的用電挑戰(zhàn)，根源在于算力需求激增與電力系統(tǒng)常規(guī)發(fā)展的不適應(yīng)，美國(guó)電網(wǎng)承載力不足、電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后、數(shù)據(jù)中心用電新特征與可再生電力的源荷“雙重波動(dòng)”，是進(jìn)一步加劇算力與電力矛盾的三大主因。
2022年11月以來(lái)，以美國(guó)OpenAI公司發(fā)布里程碑式產(chǎn)品ChatGPT為標(biāo)志，AI大模型躋身全球科技熱點(diǎn)，迅速掀起技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用浪潮，正在重塑著千行百業(yè)。美國(guó)AI算力需求爆發(fā)式增長(zhǎng)，驅(qū)動(dòng)算力基礎(chǔ)設(shè)施用電量極速飆升，成為新的“吞電巨獸”沖擊電力系統(tǒng)。算力和電力的矛盾日益突出，算力資源聚集區(qū)域的電網(wǎng)不堪重負(fù)，電力系統(tǒng)承載力大幅下降，安全可靠供電風(fēng)險(xiǎn)急劇上升，迫使微軟、谷歌等IT巨頭競(jìng)相跨界就近自建電源來(lái)滿足新建算力基礎(chǔ)設(shè)施的用電需求。我國(guó)算力也正處于提速發(fā)展階段，宜未雨綢繆、提前部署，實(shí)現(xiàn)算力-電力有機(jī)協(xié)同。
美國(guó)算力狂飆帶動(dòng)電力消費(fèi)激增
（一）美國(guó)生成式AI引爆算力需求
生成式AI通過(guò)學(xué)習(xí)大規(guī)模數(shù)據(jù)集生成新的內(nèi)容，與傳統(tǒng)AI相比，模型規(guī)模更龐大、場(chǎng)景算法更復(fù)雜，對(duì)算力的需求也快速攀升。從模型規(guī)模來(lái)看，僅能處理文字的GPT-3訓(xùn)練參數(shù)為1750億，而具備文本、圖片等處理功能的GPT-4訓(xùn)練參數(shù)約為1.8萬(wàn)億，模型大型化、復(fù)雜化帶來(lái)算力需求急劇上升。從場(chǎng)景算法來(lái)看，隨著生成式AI的迭代，應(yīng)用場(chǎng)景從單純的文本生成向視頻創(chuàng)作“升維”，帶來(lái)算力需求的再次爆發(fā)。據(jù)相關(guān)研究顯示，使用相同的文本作為輸入，生成一段視頻的算力需求是文字的1500倍。
（二）電力是支撐算力發(fā)展的關(guān)鍵要素
生成式AI對(duì)算力的海量需求推動(dòng)如中央處理器、AI算力卡等計(jì)算機(jī)硬件加速升級(jí)。計(jì)算機(jī)硬件性能持續(xù)增強(qiáng)的同時(shí)，設(shè)備電耗水平也快速提升，對(duì)電力依賴程度不斷加深。如英偉達(dá)公司于2024年發(fā)布的新一代B200型算力卡，性能較上一代產(chǎn)品提升了5倍，但單卡功耗也從700瓦提升至1200瓦。受此影響，配備新型算力卡的服務(wù)器，單機(jī)架功耗預(yù)期達(dá)到40-60千瓦，約為常規(guī)服務(wù)器機(jī)架功耗的10倍。
（三）數(shù)據(jù)中心成為新的“吞電巨獸”
當(dāng)前，生成式AI創(chuàng)新迭代活躍，美國(guó)各行業(yè)的滲透率不斷提高。據(jù)美國(guó)麥肯錫于2023年秋季的調(diào)研顯示，28%的受訪者表示在工作中經(jīng)常使用生成式AI，其中，科技領(lǐng)域占比高達(dá)33%，能源領(lǐng)域占比最低也突破14%。盡管算力卡的效率不斷提高，但生成式AI的應(yīng)用場(chǎng)景快速拓展，將帶來(lái)算力和電力需求的急劇增加。研究顯示，僅OpenAI公司就需要近3萬(wàn)個(gè)AI算力卡支持ChatGPT，每天的電力需求超過(guò)50萬(wàn)千瓦時(shí)。而根據(jù)國(guó)際能源署的最新數(shù)據(jù)，美國(guó)在運(yùn)數(shù)據(jù)中心超過(guò)2600家，預(yù)計(jì)到2026年，美國(guó)數(shù)據(jù)中心的電力消費(fèi)量將從2022年的約2000億千瓦時(shí)上升到近2600億千瓦時(shí)，占總電力需求的6%。
美國(guó)算力與電力之間矛盾的三大表現(xiàn)
（一）現(xiàn)有電網(wǎng)承載力不足，無(wú)法支撐數(shù)據(jù)中心快速“上新”
為滿足算力激增需求，美國(guó)AI行業(yè)對(duì)新建數(shù)據(jù)中心需求愈發(fā)迫切，預(yù)計(jì)到2030年，美國(guó)數(shù)據(jù)中心總功耗，將從1700萬(wàn)千瓦提高到3500萬(wàn)千瓦。受此影響，靠近電源和貼近用戶終端的數(shù)據(jù)中心基地，均出現(xiàn)電網(wǎng)承載力嚴(yán)重不足的窘境，導(dǎo)致新建數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目受阻。據(jù)調(diào)研，隨著近期大量數(shù)據(jù)中心超預(yù)期投產(chǎn)，部分新增數(shù)據(jù)中心投產(chǎn)時(shí)間已延長(zhǎng)2至6年。世界最大的數(shù)據(jù)中心基地北弗吉尼亞州，擁有能源和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)勢(shì)，但可新建數(shù)據(jù)中心規(guī)模已不足預(yù)期的0.2%；硅谷、達(dá)拉斯沃思堡等靠近終端用戶的數(shù)據(jù)中心基地，可新增數(shù)據(jù)中心規(guī)模分別不足預(yù)期的0.5%、1.9%。
（二）電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后與AI快速發(fā)展趨勢(shì)明顯錯(cuò)配
美國(guó)區(qū)域間電力互濟(jì)能力長(zhǎng)期偏弱，生成式AI引發(fā)用電超預(yù)期增長(zhǎng)，遠(yuǎn)超美國(guó)電力基礎(chǔ)設(shè)施更新和新建規(guī)劃目標(biāo)，進(jìn)一步加劇電力供需矛盾。電力基礎(chǔ)設(shè)施方面，美國(guó)電力基礎(chǔ)設(shè)施迭代升級(jí)較慢，導(dǎo)致全國(guó)70%的輸電線路和變壓器運(yùn)行年限超過(guò)25年，60%的斷路器運(yùn)行年限超過(guò)30年。2023年，算力需求激化電力供需矛盾，美國(guó)能源部首次撥款近35億美元支持?jǐn)U大輸電容量、增強(qiáng)電網(wǎng)韌性。電力規(guī)劃方面，北弗吉尼亞州的龍頭電力企業(yè)Dominion Energy針對(duì)數(shù)據(jù)中心快速新增而電力規(guī)劃嚴(yán)重滯后的情況，將經(jīng)營(yíng)區(qū)內(nèi)新增數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目工程進(jìn)度納入未來(lái)電力規(guī)劃重點(diǎn)考慮。區(qū)域互濟(jì)方面，為應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)中心激增用電需求，PJM市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)一改此前主要依賴區(qū)域內(nèi)新建電源的常規(guī)路徑，提出規(guī)劃新增多條500千伏跨區(qū)特高壓線路以提升區(qū)域電力互濟(jì)能力。
（三）數(shù)據(jù)中心負(fù)荷新特性加劇電力安全可靠供應(yīng)難度
數(shù)據(jù)中心用電剛性強(qiáng)、可靠性要求高，隨著生成式AI應(yīng)用的普及，當(dāng)前美國(guó)數(shù)據(jù)中心用電還呈現(xiàn)用電量激增、負(fù)荷波動(dòng)大的新特點(diǎn)。據(jù)調(diào)研，美國(guó)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行模型推理的用電峰谷差已高達(dá)4倍，用電峰谷時(shí)段與美國(guó)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)高度匹配，負(fù)荷調(diào)節(jié)難度較大。由于美國(guó)數(shù)據(jù)中心大多要求高比例可再生電力供應(yīng)，數(shù)據(jù)中心的用電新特性與可再生發(fā)電的波動(dòng)隨機(jī)性將構(gòu)成源荷的“雙重波動(dòng)”，為保證數(shù)據(jù)中心供電可靠性的難度不斷加大。
啟示與建議
美國(guó)生成式AI發(fā)展面臨的用電挑戰(zhàn)，根源在于算力需求激增與電力系統(tǒng)常規(guī)發(fā)展的不適應(yīng)，美國(guó)電網(wǎng)承載力不足、電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后、數(shù)據(jù)中心用電新特征與可再生電力的源荷“雙重波動(dòng)”，是進(jìn)一步加劇算力與電力矛盾的三大主因。
當(dāng)前，我國(guó)AI大模型等人工智能產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，在多行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用日趨廣泛，算力需求加速攀高。為此，我國(guó)正積極構(gòu)建全國(guó)一體化算力網(wǎng)，到2023年底，算力總規(guī)模達(dá)到230百億億次/秒，位居全球第2位，預(yù)期未來(lái)算力規(guī)模將以20%左右增速持續(xù)增長(zhǎng)。同時(shí)，我國(guó)具有全球規(guī)模最大的電力系統(tǒng)，電網(wǎng)跨省跨區(qū)資源配置能力和互濟(jì)調(diào)節(jié)能力不斷加強(qiáng)。在此基礎(chǔ)上，我國(guó)堅(jiān)持全國(guó)一盤棋，統(tǒng)籌能源資源與算力空間布局，通過(guò)“東數(shù)西算”工程，推動(dòng)?xùn)|部地區(qū)中高時(shí)延算力需求向西部能源富集地區(qū)有序轉(zhuǎn)移，可有效應(yīng)對(duì)生成式AI引發(fā)的電力需求激增形勢(shì)。
下一步，應(yīng)充分借鑒美國(guó)電力制約算力發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，從以下方面推動(dòng)算力-電力協(xié)同發(fā)展。
（一）超前謀劃算力與電力的空間布局
數(shù)據(jù)中心分布與人口密度、經(jīng)濟(jì)水平、商業(yè)需求等呈正相關(guān)，美國(guó)數(shù)據(jù)中心主要集中在首都（華盛頓）、金融中心（紐約、芝加哥）和科技中心（舊金山、西雅圖）等地，為解決數(shù)據(jù)中心用電激增的矛盾，迫使相關(guān)主管部門和企業(yè)采取臨時(shí)應(yīng)對(duì)措施。我國(guó)應(yīng)統(tǒng)籌算力-電力時(shí)空布局，在科學(xué)布局“東數(shù)東算”、“西數(shù)西算”與“東數(shù)西算”三類場(chǎng)景的同時(shí)，對(duì)潛在電力需求增長(zhǎng)和電網(wǎng)承載力進(jìn)行前瞻性評(píng)估，按照“適度超前、留有裕度”的原則推動(dòng)電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，做好算力高速發(fā)展的基礎(chǔ)支撐。
（二）全面提升電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行能力
近年來(lái)，受極端天氣頻發(fā)、新型負(fù)荷廣泛接入等因素影響，全球電力負(fù)荷波動(dòng)加劇，用電需求預(yù)測(cè)難度與日俱增，而美國(guó)生成式AI算力需求激增進(jìn)一步加劇了區(qū)域電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差。面對(duì)新形勢(shì)下的負(fù)荷特性加速演化，我國(guó)應(yīng)結(jié)合新型電力系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)程，加強(qiáng)數(shù)據(jù)中心、電動(dòng)汽車、新型儲(chǔ)能、氫能等新型負(fù)荷預(yù)測(cè)，研判電力需求變化趨勢(shì)，及時(shí)調(diào)整電力供應(yīng)，優(yōu)化電網(wǎng)資源配置和調(diào)度運(yùn)行，提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平。
（三）加強(qiáng)數(shù)據(jù)中心電力負(fù)荷管理
當(dāng)前算力基礎(chǔ)設(shè)施的供配電系統(tǒng)普遍采取冗余運(yùn)行策略，節(jié)電降耗潛力較大。建議進(jìn)一步完善各類型數(shù)據(jù)中心的實(shí)時(shí)用電監(jiān)測(cè)，強(qiáng)化數(shù)據(jù)中心供能系統(tǒng)與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的協(xié)同調(diào)控，實(shí)施用能用電精細(xì)化管理，實(shí)現(xiàn)能效、成本、算力等整體優(yōu)化運(yùn)行。
