如何填補(bǔ)電力鴻溝？

與AI大模型的迅速發(fā)展同步發(fā)生的事情是，AI每天都在吞噬大量的算力和電能。

OpenAI的ChatGPT每天消耗超過(guò)50萬(wàn)千瓦時(shí)的電力，以響應(yīng)2億個(gè)用戶的請(qǐng)求，而美國(guó)一個(gè)家庭平均每天的用電量約為29千瓦時(shí)。OpenAI預(yù)測(cè)，到2030年美國(guó)將需要約50吉瓦（GW）的新增電力產(chǎn)能，以支持AI行業(yè)的迅猛發(fā)展。

其實(shí)數(shù)據(jù)中心的能耗在AI大模型時(shí)代以前一直相當(dāng)穩(wěn)定，因?yàn)榛ヂ?lián)網(wǎng)使用水平的提高被能源效率的提高所抵消。但這種情況正在迅速改變——人工智能查詢的能耗大約是現(xiàn)有搜索引擎的10倍。另?yè)?jù)高盛報(bào)告，2022年算力數(shù)據(jù)中心在美國(guó)電力需求占的比例僅為3%，但是到2030年將增加到8%，電力需求年復(fù)合增長(zhǎng)率為2.4%。相比之下，過(guò)去20年數(shù)據(jù)中心發(fā)電量年復(fù)合增率不到0.5%。該報(bào)告還預(yù)計(jì)，到2030年AI數(shù)據(jù)中心的電力需求將增長(zhǎng)160%。

與人工智能發(fā)展的迅猛形成鮮明對(duì)比的是，電網(wǎng)的發(fā)展很慢。英飛凌在近期的一場(chǎng)AI創(chuàng)新技術(shù)論壇上就指出，AI算力的爆發(fā)式增長(zhǎng)對(duì)電力基礎(chǔ)設(shè)施提出了前所未有的挑戰(zhàn)——AI數(shù)據(jù)中心的功耗每6個(gè)月翻一番（如NVIDIA GB200集群功耗可達(dá)120kW/機(jī)柜），而傳統(tǒng)電網(wǎng)的升級(jí)周期長(zhǎng)達(dá)10年以上。

“電力鴻溝”由此形成，并引發(fā)科技巨頭們的缺電擔(dān)憂。谷歌前 CEO埃里克·施密特（Eric Schmidt）更是在美國(guó)國(guó)會(huì)能源與商業(yè)委員會(huì)的聽證會(huì)上警告“未來(lái)AI將消耗全球99%的電力”。在他看來(lái)，AI大模型未來(lái)發(fā)展面臨的瓶頸不是算法本身，而是物理限制，比如電力資源。

因?yàn)閺拈L(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，按照目前AI每6個(gè)月翻一番的計(jì)算增長(zhǎng)速度，是不可持續(xù)的。能源已經(jīng)成為全球AI競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵要素。

阿里研究院指出，目前全球計(jì)算范式正在發(fā)生新一輪重大變革，即從CPU主導(dǎo)的計(jì)算體系，向GPU主導(dǎo)的AI計(jì)算體系遷移，AI基礎(chǔ)設(shè)施成為參與全球AI競(jìng)爭(zhēng)、贏得AI戰(zhàn)略主動(dòng)的關(guān)鍵。從全球看，智算集群規(guī)模正從萬(wàn)卡級(jí)邁向百萬(wàn)卡級(jí)，因?yàn)槌笠?guī)模集群是訓(xùn)練國(guó)際先進(jìn)基礎(chǔ)模型的必備設(shè)施。而建設(shè)超大規(guī)模智算集群，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，不是萬(wàn)卡設(shè)備的簡(jiǎn)單堆砌和連接，而是需要芯片、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、調(diào)度軟件、模型等的緊密配合，以及對(duì)存儲(chǔ)、GPU、基礎(chǔ)算子底層代碼、網(wǎng)絡(luò)通訊原語(yǔ)等進(jìn)行系統(tǒng)性優(yōu)化。除了技術(shù)上的極高要求外，智算集群建設(shè)也面臨物理?xiàng)l件的限制，其中主要的瓶頸就是能源。

AI數(shù)據(jù)中心里的電源革命

信通院《中國(guó)綠色算力發(fā)展研究報(bào)告》指出，未來(lái)AI算力集群功耗普遍超過(guò)20kW/柜，而機(jī)柜功率超過(guò)15kW后，目前數(shù)據(jù)中心主流風(fēng)冷制冷技術(shù)也將面臨瓶頸。因此，在此背景下就必須要求算力基礎(chǔ)設(shè)施通過(guò)算法與框架優(yōu)化、高能效硬件升級(jí)、可再生能源利用以及熱回收系統(tǒng)、液冷技術(shù)等節(jié)能措施的實(shí)施，破除人工智能發(fā)展所帶來(lái)的算力和能源瓶頸。

如何在高性能計(jì)算需求持續(xù)增長(zhǎng)的同時(shí)，有效控制并降低能源消耗，成為AI數(shù)據(jù)中心建設(shè)與升級(jí)的關(guān)鍵命題。這也是近期半導(dǎo)體、電子科技大廠們發(fā)力的一大重點(diǎn)。

在一座AI數(shù)據(jù)中心里，從電源供應(yīng)的角度來(lái)看，大致是這樣一個(gè)過(guò)程：一排排獨(dú)立的AI服務(wù)器機(jī)柜，要將輸入進(jìn)來(lái)的電壓較高的電流逐步轉(zhuǎn)換成電壓非常低的電流，而后直接輸送給GPU（圖形處理器）和CPU（中央處理器）。在這個(gè)過(guò)程中會(huì)有三到四個(gè)步驟的電源轉(zhuǎn)換，每一步的轉(zhuǎn)換都伴隨著電源的損耗。因而，極大限度地減少每一個(gè)步驟的電源損耗是提升數(shù)據(jù)中心供電效能的一大方向。

近期，安森美就針對(duì)AI算力激增帶來(lái)的功耗問題，正式發(fā)布了《AI數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)方案指南》（AI Data Center System Solution Guide），旨在系統(tǒng)性地助力工程師應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)難題。該指南超越了單一產(chǎn)品介紹，構(gòu)建了一個(gè)覆蓋“從電網(wǎng)接入到核心芯片供電”（Grid-to-Chip）的全鏈路一站式供應(yīng)體系。內(nèi)容詳盡解析了包括SiC及硅基功率器件、高性能柵極驅(qū)動(dòng)器、數(shù)字/模擬控制器、多相穩(wěn)壓器、負(fù)載點(diǎn)（PoL）降壓轉(zhuǎn)換器以及關(guān)鍵保護(hù)電路等在內(nèi)的完整電源方案鏈。指南不僅提供核心器件的規(guī)格參數(shù)和選型指導(dǎo)，更通過(guò)豐富的典型應(yīng)用場(chǎng)景剖析和實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例，深入闡述了如何優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)、提升功率密度與轉(zhuǎn)換效率，為客戶提供從器件選型評(píng)估到系統(tǒng)集成的全方位工程支持。

電源技術(shù)的創(chuàng)新對(duì)于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)未來(lái)至關(guān)重要，其中持續(xù)提升電源功率密度滿足AI數(shù)據(jù)中心對(duì)電能需求的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的一大關(guān)鍵。

專注于智能電源與智能感知技術(shù)的安森美，近年來(lái)也一直在寬禁帶半導(dǎo)體領(lǐng)域深耕布局。憑借先進(jìn)的SiC功率器件（如MOSFET、二極管）、高集成度的智能功率級(jí)模塊（IPM）等核心產(chǎn)品組合，公司成功開發(fā)出面向AI數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的高功率密度、高能效電源解決方案。這些方案能顯著減少能源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的損耗，提升整體電源系統(tǒng)效率。

去年，安森美推出了其新一代碳化硅技術(shù)平臺(tái)EliteSiC M3e MOSFET，并計(jì)劃將在2030年前推出多代新產(chǎn)品。EliteSiC M3e MOSFET可以更低的千瓦成本實(shí)現(xiàn)下一代電氣系統(tǒng)的性能和可靠性。由于能夠在更高的開關(guān)頻率和電壓下運(yùn)行，該平臺(tái)可有效降低電源轉(zhuǎn)換損耗，可以有效促進(jìn)數(shù)據(jù)中心向更高效、更高功率轉(zhuǎn)變，以滿足可持續(xù)人工智能引擎指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的能源需求。此外，電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)、直流快速充電樁、太陽(yáng)能逆變器和儲(chǔ)能方案等廣泛的汽車和工業(yè)應(yīng)用也將由此受益。

除了芯片技術(shù)本身之外，英飛凌的相關(guān)技術(shù)人員指出，還需要考慮AI服務(wù)器外圍的電感，以及如何縮短供電模塊與作業(yè)模塊（核心模塊）的距離等問題也同樣重要?？梢哉f(shuō)，從電源輸入到電源的消耗，整個(gè)鏈路的長(zhǎng)短，包括電路設(shè)計(jì)等每個(gè)環(huán)節(jié)都是非常關(guān)鍵的，都有可能幫助節(jié)約電能。

構(gòu)筑綠色算力體系

亞洲樣本有望引領(lǐng)全球

除了在電源技術(shù)上探索可持續(xù)智能之外，發(fā)展綠色算力一項(xiàng)成為更長(zhǎng)期的系統(tǒng)工程，各國(guó)都在積極探索推動(dòng)算力基礎(chǔ)設(shè)施向綠色、低碳、可持續(xù)的方向轉(zhuǎn)型。

中國(guó)信通院開放數(shù)據(jù)中心委員會(huì)聯(lián)合國(guó)內(nèi)多家IT、CT領(lǐng)域單位發(fā)布的《綠色算力技術(shù)白皮書（2023年）》中指出，綠色算力是一個(gè)綜合性的概念，涉及算力的生產(chǎn)、供給、服務(wù)等全過(guò)程的綠色低碳。具體來(lái)說(shuō)，綠色算力即算力的綠色低碳追求，可通過(guò)融合推進(jìn)算力生產(chǎn)、算力運(yùn)營(yíng)、算力管理、算力應(yīng)用等層次的綠色化來(lái)實(shí)現(xiàn)。作為一個(gè)系統(tǒng)性工程，綠色算力貫穿芯片、服務(wù)器、系統(tǒng)集、云服務(wù)、電力系統(tǒng)、儲(chǔ)能等多個(gè)主體環(huán)節(jié)。

發(fā)展綠色算力，不僅是各國(guó)提升人工智能和算力基礎(chǔ)設(shè)施國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的必然要求，也是加快能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變和促進(jìn)算能協(xié)同發(fā)展的必然要求。從算力全生命周期來(lái)看，算力的碳足跡主要來(lái)源于三個(gè)方面，算力以能源使用為主體的能源間接溫室效應(yīng)氣體（Greenhouse Gas，GHG）排放，覆蓋算力全生命周期資產(chǎn)投入及運(yùn)營(yíng)管理產(chǎn)生的間接碳排放，算力運(yùn)行過(guò)程中擁有和控制的排放源產(chǎn)生的直接碳排放。而構(gòu)筑綠色算力體系的三大支柱，包括降低數(shù)據(jù)中心能耗，可再生能源電力成為主要電力來(lái)源，以及智慧能源管理為數(shù)據(jù)中心綠色低碳發(fā)展提供有效助力三大方面。

其中“算力+能源”協(xié)同優(yōu)化，是實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型的重要方面。通過(guò)引入AI算法優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)維護(hù)，智能系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中心的能源和資源使用情況，通過(guò)數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)未來(lái)的使用趨勢(shì)，并自動(dòng)調(diào)整設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，以達(dá)到極佳的能源使用效率，可以大幅優(yōu)化PUE（功率使用效率）、WUE（水使用效率）和CUE（碳使用效率）等指標(biāo)。比如，微軟Azure數(shù)據(jù)中心通過(guò)負(fù)載平衡技術(shù)，使得負(fù)載從10%增加到40%時(shí)，功耗只增加1.7倍，有效降低了能耗。

此外，還需要解決相應(yīng)的法規(guī)治理及監(jiān)管措的完善速度，跟不上AI算力基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展速度的問題。而這一點(diǎn)上，亞洲也完全可以引領(lǐng)并示范具有前瞻性的綜合AI生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)有的面貌，為全球探索可持續(xù)智能提供可值得借鑒的亞洲樣本。

放眼全球，亞太地區(qū)是全球數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展非常活躍的地區(qū)之一，也是全球數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)發(fā)展新高地，是推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新與智能化升級(jí)的重要力量。根據(jù)此前華為數(shù)據(jù)中心能源相關(guān)部門在華為亞太合作伙伴大會(huì)期間公布的一組數(shù)據(jù)：亞太數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)迅速，印尼、馬來(lái)西亞、菲律賓等國(guó)2021—2026年的復(fù)合增長(zhǎng)率均超過(guò)20%。

新加坡國(guó)立大學(xué)機(jī)械工程系主任、教授、能源研究所執(zhí)行主任Lee Poh Seng與新加坡管理大學(xué)楊邦孝法學(xué)院法學(xué)教授、教職和科研事務(wù)副院長(zhǎng)Heng Wang在近期發(fā)表的《綠色智能：為什么AI基礎(chǔ)設(shè)施和治理必須協(xié)同發(fā)展》一文中指出，當(dāng)今的數(shù)字化揭示了三個(gè)重要的錯(cuò)配現(xiàn)象：

其一是職能錯(cuò)配，即AI基礎(chǔ)設(shè)施、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展以及金融等領(lǐng)域之間存在“筒倉(cāng)”效應(yīng)；其二是空間錯(cuò)配，指地方、國(guó)家和國(guó)際治理之間缺乏充分的協(xié)調(diào)；其三是時(shí)間錯(cuò)配，即AI系統(tǒng)的快速部署周期與環(huán)境和社會(huì)復(fù)原力的長(zhǎng)期需求之間存在沖突。

而應(yīng)對(duì)這些錯(cuò)配現(xiàn)象需要全局視野，讓基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展與治理協(xié)同進(jìn)步。文章指出，這一點(diǎn)對(duì)于亞太地區(qū)來(lái)說(shuō)尤為重要，因?yàn)樵搮^(qū)域受到城市密度、氣候脆弱性及數(shù)字化進(jìn)程加速的交叉影響。

對(duì)此，新加坡的一些舉措，包括制定綠色數(shù)據(jù)中心路線圖，制定生成式人工智能治理框架模型，以及發(fā)布更廣泛的《2030年新加坡綠色計(jì)劃》，這些舉措展現(xiàn)了基礎(chǔ)設(shè)施與治理框架相協(xié)調(diào)以推動(dòng)可持續(xù)數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展的早期努力?？梢?，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)AI需要政府、業(yè)界人士、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和更廣泛的群體共同行動(dòng)，以確保數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的增長(zhǎng)與環(huán)境和社會(huì)目標(biāo)協(xié)調(diào)一致。

寫在文末

英偉達(dá)創(chuàng)始人黃仁勛表示，AI數(shù)據(jù)中心實(shí)際上是“AI工廠”，未來(lái)的數(shù)據(jù)中心不再是存儲(chǔ)與計(jì)算中心，而是生產(chǎn)Token（算力的單位）的工廠——輸入能源、輸出Token。

如果說(shuō)，在上一輪互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的技術(shù)周期里，比拼的是“算力+連接”，那么這一輪的AI周期，比拼的則是“算力+供電”?？沙掷m(xù)綠色智能如何構(gòu)建？需要綠色算力和綠色能源量大技術(shù)底座的深層協(xié)同。