人工智能对全球电力系统的威胁与挑战

编者按：今年早些时候，马斯克预测，为了满足人工智能和电动汽车的需求，未来几年将出现电力短缺。他警告道，这些技术的同步发展将给现有的电力基础设施带来压力，到 2025 年，电力供应可能不足以为越来越多的人工智能芯片供电。

《纽约客》也曾报道，估计 OpenAI 的 ChatGPT 每天要消耗 50 多万千瓦时的电力，才能响应每天约 2 亿用户的请求。这是美国家庭平均每日能源使用量的 1.7 万多倍。

彭博社刚刚撰写了一篇文章，称在全球许多地区，人工智能数据中心用电需求激增，当地现有电力设施已无法满足其用电需求，「人工智能已对全球电力系统造成严重破坏」。

以下是彭博社报道的全文译文，由爱范儿整理翻译。

原文链接：https://www.bloomberg.com/graphics/2024-ai-data-centers-power-grids/ 原文作者：Josh Saul、Leonardo Nicoletti、Saritha Rai、Dina Bass、Ian King 和 Jennifer Duggan

与弗吉尼亚州北部的大部分地区一样，劳登县曾经以马场和美国内战遗址而闻名。但在过去的 15 年里，这个社区的许多田野和森林都被清理一空，用来建造构成我们数字生活支柱的数据中心。

现在，人工智能的兴起正在推动对更大数据中心的需求，从而进一步改变了这里的地貌，并对该地区的能源网造成了巨大压力。

今年春天一个晴朗的下午，最新的数据中心即将完工。完工后，这座 20 万平方英尺的建筑未来所消耗的能源，将相当于美国三万个家庭的日常用电量。

但首先，它需要获得足够的电力……

弗吉尼亚州的 Databank 数据中心。图片来源：Black Ridge

数据中心供应商 DataBank 迫切需要能源供应，该公司拥有弗吉尼亚的这座数据中心。一家未透露名称的「大型科技」客户租用了整个数据中心，并急切地希望利用该数据中心为人工智能应用获取计算资源，以至于在 DataBank 计划为其提供电力之前，该客户就在大楼里安装好了服务器。

「这就是人工智能的问题所在。他们需要大量的电力，而一旦你有了电力，他们就会立刻想要」，管理 DataBank 部分设施的詹姆斯-马特斯（James Mathes）说。「现在，人工智能就像一张空白支票。」

根据对数据中心运营商、能源供应商和科技高管的采访，数据中心几乎一夜之间激增的电力需求，已经在世界许多地方超过了现有的电力供应。这种动态导致企业接入电网的等待时间长达数年，并且对于生活在数据中心最密集市场的居民来说，人们也越来越担心停电和价格上涨。

苹果数据中心内部。图片来源：苹果

硅谷不惜一切代价发展人工智能的做法导致电力需求急剧增加，这也威胁到整个国家的能源转型计划和价值数万亿的科技公司的清洁能源目标。根据彭博社对最新数据的分析，在一些国家，包括沙特阿拉伯、爱尔兰和马来西亚，它们计划建造的所有数据中心在满负荷运行时所需的能源，超过了现有的可再生能源供应。

根据官方估计，瑞典的数据中心电力需求到本十年末可能会翻一番，然后在 2040 年前再翻一番。在英国，人工智能在未来十年的耗电量预计将增加 500%。而在美国，数据中心的用电量占全部电力的比例，预计将从 2022 年的 3% 上升到 2030 年的 8%，高盛将其描述为「一代人前所未见的电力增长」。

全球已建成或处于不同建设阶段的数据中心已超过 7000 个，而 2015 年仅为 3600 个。

如果这些数据中心持续运行，每年总耗电量可达 508 太瓦时。这比意大利或澳大利亚的全年的总发电量还要大。

到 2034 年，全球数据中心的能耗预计将达到 1580 太瓦时，与印度全国的能耗相当。

谷歌数据中心内部。图片来源：谷歌

这些只是估算，目前的人工智能热潮将如何发展，仍存在很大的不确定性。数据中心开发商对电力需求的预测与实际发电量之间也存在差异。

虽然科技公司很快就指出，即使数据中心不断扩张，其能源使用量也只占全球能源使用量的不到 2%，但据高盛公司 4 月份的一份报告估计，到本十年末，这一数字可能会上升到 4%。鉴于整体电力需求多年来几乎持平，甚至在某些地区还在下降，因此任何一个百分点的增长都有着巨大影响。

美国 NextEra Energy 公司首席执行官约翰·凯彻姆（John Ketchum）表示，在未来二十年里，美国的电力需求预计将增长 40%，而在过去二十年里，美国的电力需求仅增长了 9%。凯彻姆说，数据中心是需求激增的最大原因，电气化和制造业也是其他因素。当被问及为什么数据中心会突然消耗这么多电力时，他的回答很直截了当：” 因为人工智能。他提到了训练模型所需的能源，以及人工智能从未曾见过的数据中得出结论的推理过程。「这是 10 到 15 倍的耗电量。」

美国 NextEra Energy 公司的风力发电场。图片来源：NextEra Energy

美国最大的云服务提供商亚马逊、微软和 Alphabet 旗下的谷歌都宣布了完全使用绿色能源运行其数据中心的目标 —— 亚马逊明年实现，谷歌和微软到 2030 年实现。这三家公司都表示，他们正在研究减少用电量或更有效地平衡电网需求的技术方法。这可能包括从芯片和服务器中榨取更高的效率，通过更好的方式布置设备以减少散热需求，以及根据能源（尤其是绿色能源）的可用性将负载转移到不同的区域。

但是，OpenAI 首席执行官萨姆-奥特曼（Sam Altman）等一些科技领袖表示，要适应这种新形势，就需要能源方面的突破 —— 很可能来自核能。微软和亚马逊也在核能上下注，亚马逊最近在宾夕法尼亚州购买了一个核动力数据中心，并表示愿意购买更多。目前，前进的道路仍不明朗。微软最近承认，其推动的人工智能正在危及其长期坚持的到 2030 年实现负碳排放的目标。

「我们需要太瓦级的传统绿色能源，不管是风能还是太阳能，这需要全球范围内的努力」，谷歌全球数据中心能源主管阿曼达·彼得森·科里奥（Amanda Peterson Corio）说到，她谈论的范围不仅限于人工智能个需求。一太瓦相当于大约 1000 座核电站的发电量。「我们当然希望自己脱碳，但如果我们只是自己脱碳，而不是整个电网脱碳，那又有什么意义呢？」

苹果推出了一系列碳中和产品。图片来源：苹果

在现今的数据中心里，你可能会发现成千上万的英伟达 H100 显卡 —— 生成式人工智能热潮的引擎 —— 每个显卡的功耗高达 700 瓦，几乎是一台 60 英寸平板电视功耗的八倍。为训练人工智能模型而建立的数据中心所需的电力甚至更多。例如，微软就在一个用于开发 OpenAI 技术的数据中心内，串联了数以万计的英伟达显卡。这些显卡由网络和其他类型的芯片提供支持，再加上数据中心中用于散热设备，耗电量就更为庞大。

硅谷的传统观点认为，所需的能源只会越来越多。英伟达的最新显卡 B100 的耗电量几乎是 H100 的两倍。英伟达认为，企业将能够用更少的芯片做更多的事情，但英伟达加速计算部门主管伊恩·巴克（Ian Buck）承认，人工智能的部署很可能会增加。他说：「人们喜欢填满他们的数据中心。」

英伟达 H100 显卡。图片来源：英伟达

人工智能的发展也日新月异，人们热衷于开发更大的人工智能模型。2020 年建造的微软超级计算机训练了 OpenAI 的 GPT-3 ，使用了 1 万个当时最新的人工智能芯片。根据微软 Azure 首席技术官马克·鲁西诺维奇（Mark Russinovich）五月份的演讲，2023 年 11 月微软的超级计算机使用了 1.44 万个顶级的英伟达 H100 显卡，而正在设计中的下一个超级计算机将比现在强大 30 倍。

与此同时，英伟达公司首席执行官黄仁勋表示，许多国家将推动建立自己的「自主产权」人工智能系统，以保持竞争力并在本地处理数据。全球人工智能争霸战很可能取决于哪些国家拥有足够的数据中心和电力来支持这项技术。如果是这样的话，那么劳登县就是世界其他地区未来发展的一个缩影 —— 以及其他国家将面临的保持竞争力的挑战。

世界数据中心之都

过去五年间，为劳登县提供服务的多米尼恩电力公司（Dominion Energy Inc.），也被称为「数据中心巷道」，连接了 94 个数据中心，总共消耗约四吉瓦的电力。现在，该公司正在处理数据中心园区的请求，这些数据中心的耗电量将达到数吉瓦，足以为数十万个家庭供电，其中两三个数据中心的耗电量加起来可能相当于 2019 年以来接入的所有设施的耗电量总和。

需求的激增造成了积压。数据中心开发商现在需要等待更长的时间才能将他们的项目接入电网。多米尼恩电力公司总裁爱德华·贝恩（Edward Baine）在接受采访时说：「可能快则两年，慢则四年，这取决于需要建设的项目。」

多米尼恩电力公司。图片来源：FFXnow

多米尼恩电力公司正在努力建设基础设施来支持这一计划。新的输电线悬挂在巨大的金属塔上，沿着公路和小溪铺设，为这些高耸、没有窗户的数据中心供电。该公司正在海岸附近新建一个大型风力发电场和许多太阳能发电场，但煤炭和天然气发电厂也可以保持更长时间的在线运行。

2022 年底，多米尼恩电力公司向监管机构提交了一份此前未曾报道的信函，要求允许其建设新的变电站和输电线路，以满足「前所未有」的负荷增长。在信中，多米尼恩电力公司表示在当年春季经历了 18 次负荷缓解警告。当电网运营商告知该公司可能需要减载时，就会发出这些警告。「减载」是一个专业术语，指有控制地中断向客户供电，其中可能包括轮流停电。 多米尼恩电力公司告诉监管机构：「这远远超出了正常、安全的操作规程。」

一处位于弗吉尼亚州阿什本的 DataBank 数据中心。图片来源：彭博社

在努力满足电力需求方面，弗吉尼亚州并非孤军奋战。英国数据中心运营商 Kao Data 的董事长大卫·布鲁姆（David Bloom）表示，在历来被视为数据中心枢纽的伦敦西部，新设施必须等到 2030 年才能接入电网。他说：「我们现在正被推向新的地点。」同样，在可再生能源市场强劲的瑞典南部，并网需求如此之大，以至于企业可能需要等待数年。德国 E.ON SE 电力公司 的瑞典南部地区经理彼得·哈马尔（Peter Hjalmar）说：「我们有一个队列，你需要拿到你的票。」摩根士丹利（Morgan Stanley）最近的一份分析报告显示，在美国各地，许多新的人工智能数据中心预计每个将消耗 100 兆瓦的电力，这让分析师不禁质疑：「如何及时为所有拟建立的数据中心项目供电？」据 NextEra 公司称，由于需求量如此之大，大型科技公司正在对可随时供电的数据中心场地进行竞标。

艾伦人工智能研究所（Allen Institute for AI）首席执行官阿里·法哈迪（Ali Farhadi）表示，预计数据中心的增长也可能会遇到输电线路输送电力的限制。他说：「我不认为我们能在全球范围内输送那么多电力，更不用说发电了。」

能源分析师表示，随着时间的推移，数据中心的效率会越来越高，但它们的规模也会越来越大。根据市场情报公司 DC Byte 的数据，目前全球数据中心设施的平均面积为 412,000 平方英尺，比 2010 年增长了近五倍。

专家表示，数据中心需求的激增，加上多米尼恩等电力公司对新变电站、输电线路和其他基础设施的大量投资，也增加了客户看到能源价格上涨的可能性。一些升级改造的成本通常会分配给整个地区的电力用户，在每个人的月度公用事业账单上显示为一个细列项目。

高盛公司估计，美国公用事业公司将不得不投资大约 500 亿美元，用于支持数据中心的新发电能力。能源咨询公司伍德麦肯兹（Wood Mackenzie）的电力市场分析师帕特里克·芬恩（Patrick Finn）说：「这将提高能源批发价格和零售价格。」

多米尼恩电力公司的一位代表表示，包括电网改造在内的成本将根据为每类客户提供服务的实际成本，在从住宅到工业的每一类客户之间进行分配。因此，近年来住宅客户的输电成本份额有所下降，而数据中心的份额则有所上升。

电力传输线路。图片来源：Unsplash

在另一个严重饱和的市场 —— 爱尔兰，也出现了一些费率上调的早期迹象。爱尔兰气候温和，吸引了微软、亚马逊和其他公司的众多数据中心，预计到 2026 年，这些设施将消耗爱尔兰三分之一的能源，而 2022 年仅为 18%。

今年，爱尔兰的电力批发价格平均比欧洲其他国家高出三分之一。康沃尔洞察公司（Cornwall Insight）的高级建模师萨拉·诺兰（Sarah Nolan）说，包括爱尔兰地理位置在内的其他因素也起到了一定作用，但数据中心需求的不断增长也是原因之一，而就在人工智能热潮掀起之前，爱尔兰还采取了强有力的措施来限制数据中心的建设。

为了管理能源限制，爱尔兰国有电力运营商于 2022 年初在都柏林实施了一项暂停令，并规定了将新数据中心接入电网的条件，包括优先考虑那些自己发电的数据中心。负责吸引外国直接投资的爱尔兰开发协会（IDA Ireland）的技术、消费者和商业服务主管多纳尔·特拉弗斯（Donal Travers）表示，爱尔兰国有电力运营商制定了「全面」的电网建设计划。但他表示，预计对新的大型电网连接限制「可能会持续到 2028 年左右。」

与此同时，其他地区也迫不及待地敞开了大门。

2024 年 3 月 20 日，弗吉尼亚州盖恩斯维尔正在建设中的新数据中心。图片来源：彭博社

下一个弗吉尼亚

当兰古·萨尔加梅（Rangu Salgame）放眼马来西亚时，他看到下一个弗吉尼亚州「正在形成」。柔佛州是马来西亚半岛最南端的一个州，制定了加快数据中心审批的政策。最重要的是，这里距离新加坡也很近，新加坡长期以来一直是数据中心的枢纽，为了管理这个小岛上的能源增长，新加坡已暂停新建设施数年。

新山市的郊区曾经是一个沉睡的渔村，而现在则是大片的建筑工地。微软和亚马逊正在该地区投资，萨尔盖姆的公司普林斯顿数字集团（PDG）也是如此。在距离新山市中心以南约 40 英里的赛德纳克科技园（Sedenak Tech Park），高耸的塔吊点缀着天空。PDG 新的 150 兆瓦数据中心占据了园区的一角，对面是其他供应商的类似设施。

萨尔加梅说：「我们在 12 个月内就完成了从动土到投产的过程」，他预计两年内在柔佛拥有 300 兆瓦的产能。「世界上并非所有地区都能以这样的速度和规模进行生产。」

与马来西亚一样，得克萨斯州已成为美国增长最快的数据中心市场之一，这部分归功于其独立和放松管制的电网缩短了等待时间的承诺。据 DC Byte 报道，微软公司能源副总裁鲍比·霍利斯（Bobby Hollis）表示，德克萨斯州的数据中心可以在建设数据中心所需的一到两年时间内并网。

霍利斯说，得克萨斯州有丰富的太阳能资源，在该州的锅柄平原区，拥有世界上最好的风能资源。但炎热的气候和紧张的水源供应正促使微软和谷歌尝试使其数据中心的冷却设备脱离对水的依赖。然而，替代方法需要更多的能源，根据微软的数据，平均大约需要多 5% 的能源。

虽然得克萨斯州的电力看起来很充足，但也有其局限性。霍利斯说，太阳能电池板和其他清洁能源所需的设备开始出现供应紧张。德克萨斯州电力可靠性委员会（Electric Reliability Council of Texas）最近也警告说，它低估了微软大型数据中心园区所在的圣安东尼奥地区的需求，这有可能在未来造成全州范围内的连锁停电。

德克萨斯州电力可靠性委员会。图片来源：维基百科

在弗吉尼亚州，反对数据中心的呼声日益高涨。在威廉王子郡三月份的监督委员会会议上，沮丧的居民大声呼吁，反对一项允许在特定土地上建设约两倍高的数据中心的分区变更。一名女子告诉官员们，数据中心正在把她宁静的社区变成一场「反乌托邦噩梦」。

一位名叫雷切尔·埃利斯（Rachel Ellis）的 48 岁家庭主妇远程发言说，这一改变意味着对已经紧张的电网提出更多要求。她说：「在不了解电力将从何而来的情况下，继续批准数据中心的建设是一种鲁莽的管理行为。」

在听取了十几位反对改变分区的人的发言后，监督委员会进行了投票。更大的数据中心获得了批准。

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