中國儲能網(wǎng)訊：隨著新一輪科技革命的興起和發(fā)展，產(chǎn)業(yè)變革加速演進，全球經(jīng)濟發(fā)展呈復蘇之態(tài)，數(shù)字基礎設施以關鍵底座之力支撐、引領經(jīng)濟發(fā)展的新方向。習近平總書記指出，“加快新型基礎設施建設。要加強戰(zhàn)略布局，加快建設以5G網(wǎng)絡、全國一體化數(shù)據(jù)中心體系、國家產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等為抓手的高速泛在、天地一體、云網(wǎng)融合、智能敏捷、綠色低碳、安全可控的智能化綜合性數(shù)字信息基礎設施，打通經(jīng)濟社會發(fā)展的信息‘大動脈’”。黨的二十大報告進一步強調(diào)，“加快發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟，促進數(shù)字經(jīng)濟和實體經(jīng)濟深度融合，打造具有國際競爭力的數(shù)字產(chǎn)業(yè)集群?！?/span>
從智能駕駛、智慧城市、元宇宙，再到以ChatGPT為代表的生成式人工智能，算力正成為賦能各行各業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基礎技術要素。算力是大數(shù)據(jù)儲存分析的計算資源，隨著數(shù)字經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，算力逐漸由互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)向交通、工業(yè)、金融、政務等行業(yè)滲透，各行業(yè)對算力資源的需求持續(xù)高漲。在此背景下，充足穩(wěn)定的算力資源供給量不僅是數(shù)字技術進一步迭代的前提條件，也成為支撐數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展的關鍵動力。然而，隨著各行業(yè)算力需求大幅增加，算力引發(fā)的能源消耗問題和間接溫室氣體排放問題受到各界學者的廣泛關注。研究顯示，2022年我國數(shù)據(jù)中心耗電量已達2700億千瓦時，約占我國耗電總量的3.13%。電力驅(qū)動的算力基礎設施因產(chǎn)生大量碳排放，對我國實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標提出了挑戰(zhàn)。
近年來，科學家對算力引發(fā)的能耗問題的關注度持續(xù)增加，但在特定的中國國情下，分析算力發(fā)展與能源消耗二者關系及其應對策略的針對性文章較少。本文在梳理我國算力發(fā)展現(xiàn)狀的基礎上預測了我國未來算力發(fā)展的需求，通過分析未來算力增長和電力能耗之間的關系及可能存在的問題，針對性地提出了我國算力綠色低碳轉(zhuǎn)型的對策建議。
1.典型應用領域算力需求與預測分析
算力發(fā)展現(xiàn)狀
根據(jù)計算機處理能力，算力一般可劃分為基礎算力、智能算力和超算算力。
1.基礎算力，通常由中央處理器（CPU）組成，一般而言，基礎算力能夠滿足日常基礎數(shù)據(jù)計算需求，如辦公應用、網(wǎng)頁瀏覽、媒體播放等。
2.智能算力，主要由圖形處理器（GPU）、專用集成電路等異構(gòu)計算芯片組成，常用于處理大規(guī)模數(shù)據(jù)和復雜算法模型，如圖像識別、語音識別、自然語言處理等。
3.超算算力，具備極高計算性能和超大規(guī)模并行處理能力，通常由多處理器、大內(nèi)存和高速互聯(lián)網(wǎng)絡組成，常用于天氣預報、風洞實驗、能源開發(fā)等科學領域，協(xié)助開展復雜的計算研究。
作為算力的主要載體，我國算力基礎設施發(fā)展迅速，梯次優(yōu)化的算力供給體系初步構(gòu)建。近5年來，我國算力規(guī)模的平均年增長率為46%，對我國經(jīng)濟社會和產(chǎn)業(yè)能級發(fā)展的動力支撐作用不斷增強。2021年，我國智能算力規(guī)模達104 EFlops，基礎算力規(guī)模達95 EFlops，超算算力規(guī)模約為3 EFlops。
從應用領域來看，我國的算力應用領域由早期的互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)逐漸擴展。尤其擴展到工業(yè)、教育、醫(yī)學研究等領域（圖1），成為各傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)智能化改造和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要支撐，算力正全面賦能生產(chǎn)、運營、管理、融資等各個領域的創(chuàng)新發(fā)展。
圖1 2022年我國重點發(fā)展的算力應用領域現(xiàn)狀和實際耗電量
1）算力大規(guī)模應用在工業(yè)領域
隨著人工智能在工業(yè)領域的深入應用，工業(yè)智能制造已實現(xiàn)制造過程的智能化和自動化。據(jù)統(tǒng)計，我國工業(yè)制造的算力支出占全球算力總支出的12%，機器人領域的算力支出已超全球算力總支出的60%。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，智能設備和傳感器對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時收集和監(jiān)測為自動化控制提供了基礎，實現(xiàn)了對生產(chǎn)過程的實時調(diào)整和優(yōu)化。這種實時控制和優(yōu)化需要大量的算力來處理和分析龐大的數(shù)據(jù)集，確保生產(chǎn)過程更具精確性和高效性。因此，足夠的算力支持是實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程中自動化控制的關鍵要素之一。
2）教育領域是算力發(fā)揮作用的另一潛在領域
綜合來看，教育領域?qū)λ懔Φ男枨笾饕植荚谘芯繉嶒?、智能學習、交互式學習等方面。
1.研究實驗領域，大數(shù)據(jù)智能、類腦智能計算和量子智能計算等基礎理論研究對算力資源提出巨大需求。其中，維持類腦計算在超算平臺運行需要1 EFlops，相當于1.6萬片CPU核處理器的計算能力。
2.在智能學習領域，大型開放式網(wǎng)絡課程（MOOC）等智能化教育云平臺涉及視頻壓縮、解壓縮算法、帶寬管理和網(wǎng)絡傳輸優(yōu)化等多項技術的融合應用，這些技術手段均需要穩(wěn)定且龐大的算力支撐。
3.在交互式學習領域，算力具有強大的計算機系統(tǒng)，可以支持構(gòu)建虛擬實驗并模擬學習環(huán)境。華為《智能世界2030》報告指出，三維建模的算力需求較以往傳統(tǒng)建模技術增加100倍，僅華為云技術運行一次三維建模就需約0.011 EFlops的算力。
3）醫(yī)學成為算力應用的又一潛在領域
當前，人工智能技術已經(jīng)被醫(yī)療機構(gòu)和生命科學組織廣泛接受。計算機視覺和圖像處理技術被用于分析和解釋醫(yī)學影像，如X光照射、電子計算機斷層掃描和基因組分析等。醫(yī)學影像通常需要進行圖像預處理以改善圖像質(zhì)量并減少噪聲，涉及去噪、偽影去除、幾何校正和圖像增強等步驟。
我國未來算力需求預測
隨著數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展，人工智能和產(chǎn)業(yè)數(shù)字化等多樣化的算力需求場景不斷涌現(xiàn)。為進一步探究未來5年我國的算力發(fā)展規(guī)模，本文基于各類型算力規(guī)模數(shù)據(jù)，對我國未來算力需求發(fā)展進行了預測。圖2展示了算力預測模型的基本框架，根據(jù)模型得到了我國未來算力發(fā)展規(guī)模和結(jié)構(gòu)變化的主要預測結(jié)果（圖3和4），相關結(jié)論如下。
圖2 我國算力預測模型的基本框架
圖3 2016—2026年我國算力發(fā)展規(guī)模
圖4 2016—2026年我國算力發(fā)展結(jié)構(gòu)變化
1）我國算力發(fā)展規(guī)模持續(xù)增長
根據(jù)預測結(jié)果，2022年我國算力總規(guī)模達315 EFlops，預計到2026年我國算力總規(guī)模將進入每秒10萬億億次浮點運算時代，達到767 EFlops。
2）基礎算力、智能算力、超算算力分別呈現(xiàn)穩(wěn)定增長、迅速增長、持續(xù)增長的態(tài)勢，2016—2026年的年平均增速分別達18.99%、78.97%、23.45%
在大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算等新一代信息技術的驅(qū)動下，智能算力發(fā)展迅猛，預計到2026年我國智能算力規(guī)模將達到561 EFlops。
3）我國算力結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化
隨著各領域?qū)χ悄芩懔π枨蟛粩嘣鲩L，我國算力結(jié)構(gòu)也在不斷演變（圖4），盡管基礎算力呈現(xiàn)穩(wěn)定增長態(tài)勢，但預計基礎算力占總算力規(guī)模的比重將從2016年的95%下降至2026年的26%，智能算力占總算力規(guī)模的比重則從2016年的3%攀升至2026年的73%，同期我國超算算力在總體算力規(guī)模中呈現(xiàn)出穩(wěn)定的上升趨勢。
2.我國算力的電力能耗分析及低碳轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)
我國算力能耗分析
本文從2個角度測算我國算力的電力能耗。
1）對承載算力的基礎設施（如數(shù)據(jù)中心）能耗進行預測。
數(shù)據(jù)中心的電力能耗主要來源于信息技術（IT）設備、制冷設備、供配電系統(tǒng)和照明等其他設備的能源消耗，其電力成本占運營總成本的60%—70%。通過對我國2016—2021年的算力規(guī)模和數(shù)據(jù)中心用電量數(shù)據(jù)展開分析，推測每使用1 EFlops算力所需的年耗電量約為8億—12億千瓦時，并且這個數(shù)值隨時間的推移呈下降趨勢。2022年，我國數(shù)據(jù)中心的算力總規(guī)模達315 EFlops，數(shù)據(jù)中心數(shù)量達8.5萬個；相當于每個數(shù)據(jù)中心平均算力為3.7×10-3 EFlops，1年至少需要耗電約317.7萬千瓦時。結(jié)合上述預測的2026年我國算力總規(guī)模和每1 EFlops算力所需的年耗電量，預計到2026年，我國所有數(shù)據(jù)中心所需年耗電量至少達到6 000億千瓦時，數(shù)據(jù)中心耗電量占我國用電量比重預計將從2016年的1.86%增長至2026年的6.06%（圖5）。
圖5 2016—2026年我國數(shù)據(jù)中心耗電量及其耗電量占我國用電量百分比
2）對算力應用實例的能耗分析
算力在人工智能領域中扮演著重要的角色，其可以執(zhí)行復雜計算，并能為訓練深度學習模型提供必要的計算能力支持。
1. ChatGPT的實例。ChatGPT作為一種基于人工智能技術的自然語言處理模型，是在穩(wěn)定且充足的算力支撐下使用的，是大型企業(yè)與科研機構(gòu)應用人工智能技術協(xié)同創(chuàng)新的典型范例之一。本文以ChatGPT為例，探究其背后的算力資源使用和電力消耗情況，推算未來我國大模型應用的算力資源需求和電力消耗。以美國成立的人工智能研究公司OpenAI訓練一次13億參數(shù)的GPT-3XL模型為例，本文設定ChatGPT訓練一次，所需算力約0.0275 EFlops。假設ChatGPT每年至少需要訓練50次，則預計1年需1.375 EFlops算力，年耗電量至少需要11.83億千瓦時。綜合考慮輸入文本長度、模型維度和模型層數(shù)等因素，本文估算每次訪問ChatGPT查詢一個問題大約需要2.92×10-10 EFlops算力，耗電量約為0.00396千瓦時。假設ChatGPT每日有2億次咨詢量，預計每日至少需要0.0584 EFlops算力，則需耗電79.2萬千瓦時。
2. 我國大模型的實例。截至2023年5月，我國已發(fā)布了79個10億級參數(shù)規(guī)模以上的大模型。假設各模型每年至少需要訓練50次，每次計算所需要的算力資源和電力消耗與ChatGPT模型接近，預計1年需109 EFlops算力，年耗電量至少934.6億千瓦時。需要注意的是，該結(jié)果僅反映了人工智能領域的算力能耗需求。若考慮在所有垂直應用場景下，我國對算力資源和電力能源的需求將會激增?？傮w而言，無論是從數(shù)據(jù)中心的基礎能耗還是新興領域的未來發(fā)展來看，算力資源的需求量和電力能耗量都將持續(xù)攀升，這可能進一步增加我國用能負擔和碳排放總量。
我國算力發(fā)展綠色低碳轉(zhuǎn)型面臨的挑戰(zhàn)
我國算力需求總體呈爆炸式增長趨勢，高能耗問題較為突出。不僅如此，我國算力發(fā)展還面臨資源供需失衡、協(xié)同使用效率不足等方面問題，這些都制約了算力的綠色低碳轉(zhuǎn)型。算力發(fā)展面臨的問題具體包括3個方面。
1）整體布局較分散，集約化水平不高
盡管各行業(yè)數(shù)據(jù)中心不斷涌現(xiàn)，算力規(guī)模爆發(fā)式增長，但各單位間缺乏有效聯(lián)通，導致“數(shù)據(jù)中心孤島”“云孤島”等現(xiàn)象頻頻出現(xiàn)，算力資源利用率低。此外，單體數(shù)據(jù)中心整體規(guī)模偏小，規(guī)模受限，后期擴容難，面臨利用率低、能耗高、遷移成本增加等問題。
2）資源分配不均衡，供需兩端不匹配
當前，我國算力資源整體呈現(xiàn)“東部不足、西部過?！钡牟痪饩置?。數(shù)據(jù)中心的規(guī)模通常通過標準機架數(shù)量來衡量，一般情況下，機架數(shù)越多，數(shù)據(jù)中心的算力規(guī)模也就越大。盡管東西部用機架數(shù)的比例約為7∶3，東部地區(qū)的算力資源遠比西部地區(qū)豐富；但由于算力需求多集中在創(chuàng)新能力強的東部地區(qū)，東部地區(qū)仍面臨算力資源緊張的問題。中西部地區(qū)能源充裕但算力資源產(chǎn)能過剩，西部地區(qū)產(chǎn)能過剩現(xiàn)象尤為突出，供給量超出需求量15%以上。
3）缺乏算力設施協(xié)同共享機制
“東數(shù)西算”工程全面啟動后，各算力樞紐節(jié)點、數(shù)據(jù)中心集群加大投資建設力度，有效提升了數(shù)字基礎設施的整體水平，進一步優(yōu)化了數(shù)據(jù)處理和存儲的效率。但缺少任務協(xié)同和資源共享機制，導致算力節(jié)點通過網(wǎng)絡靈活高效調(diào)配算力資源的能力不足，算力設施“忙閑不均”，極大制約了能源效率的提升。算力基礎設施多采用電力供能，即使算力資源未被充分利用，為確保數(shù)據(jù)安全和設備穩(wěn)定，算力基礎設施仍需持續(xù)運轉(zhuǎn)，產(chǎn)生無效的能源消耗。
3.我國算力綠色低碳轉(zhuǎn)型的對策建議
算力已成為支撐數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展的關鍵動力，其綠色低碳轉(zhuǎn)型需兼顧發(fā)展和安全2個角度。針對我國算力發(fā)展的巨大需求及面臨的問題，如何在保障算力基礎設施用電充足穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型，成為解決該問題的重要突破口。本文針對我國算力綠色低碳轉(zhuǎn)型提出以下6個方面的對策與建議。
1）加強算力頂層設計，推進算—網(wǎng)融合發(fā)展
1. 轉(zhuǎn)變算力資源建設理念，加強算力資源的統(tǒng)籌發(fā)展。
2. 優(yōu)化多層級算力基礎設施體系。
3.統(tǒng)籌布局，打造區(qū)域算力調(diào)度指揮平臺。
2）優(yōu)化算力資源布局，降低算力利用能耗
1. 多層面、多維度優(yōu)化算力基礎設施區(qū)域布局。
2. 進一步優(yōu)化算力對能耗指標分配。
3.加速改造升級“老舊小散”數(shù)據(jù)中心。
3）加大綠色研發(fā)創(chuàng)新，健全算力生態(tài)體系
1. 加大綠色算力基礎設施關鍵技術研發(fā)。
2. 著重推廣現(xiàn)有綠色節(jié)能先進成果。
3.建設綠色數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)。
4.制定統(tǒng)一的算力接入標準和接口規(guī)范。
4）完善能耗監(jiān)管機制，夯實算力監(jiān)管體系
1. 建立健全算力基礎設施全生命周期評價體系。
2. 完善數(shù)據(jù)中心綠色監(jiān)管與評價體系。
5）完善算力租賃制度，創(chuàng)新算力商業(yè)模式
1. 構(gòu)建面向用戶開放的算力統(tǒng)一運營平臺，實現(xiàn)算力服務的“一鍵式訂購”和“彈性調(diào)節(jié)”。
2. 建立和完善算力租賃制度。
3.構(gòu)建動態(tài)收費策略。
6）用好算力余熱資源，實現(xiàn)綠色集約發(fā)展
1. 探索擴大數(shù)據(jù)中心能源的回收利用體系
2. 強化對數(shù)據(jù)中心余熱回收利用技術的政策支持。
