文|雪豹財(cái)經(jīng)社 魏琳華
3月底，美國(guó)密歇根湖畔的一座已經(jīng)關(guān)閉的核電站Holtec Palisades，獲得來自美國(guó)能源部的15億美元貸款擔(dān)保，進(jìn)入重啟階段。如果順利通過監(jiān)管環(huán)節(jié)，它將成為美國(guó)歷史上第一座重啟的核電站。
美國(guó)能源部之所以重啟核電發(fā)力，是出于對(duì)電能需求失衡的擔(dān)憂。在制造業(yè)、電動(dòng)汽車等行業(yè)的耗電需求上升之際，人工智能行業(yè)的快速發(fā)展，加速了美國(guó)電力危機(jī)的到來。
“人工智能本身不是問題，因?yàn)樗梢詭椭鉀Q問題。”美國(guó)能源部長(zhǎng)詹妮弗·格蘭霍姆在接受Axiro采訪時(shí)表示，但是，人工智能和數(shù)據(jù)中心對(duì)電力日益增長(zhǎng)的需求，卻成了實(shí)實(shí)在在的新問題。
小小應(yīng)用，吃電狂魔
人工智能應(yīng)用究竟有多耗電？
荷蘭科學(xué)家亞歷克斯·德弗里斯在他的論文中，為對(duì)話機(jī)器人ChatGPT算了這樣一筆賬：
每當(dāng)ChatGPT試圖響應(yīng)一次問題，它需要消耗2.9瓦時(shí)的電量。這是什么概念？響應(yīng)10次的電量，可以支撐一個(gè)功率15W的LED燈泡工作2小時(shí)；響應(yīng)100次，可以給智能手機(jī)充大約13次電。
一天內(nèi)，ChatGPT平均需要處理約2億個(gè)來自用戶的對(duì)話請(qǐng)求，這意味著它單日消耗的電量就要超過564兆瓦時(shí)（1兆瓦時(shí)=1000千瓦時(shí)，564兆瓦時(shí)相當(dāng)于56.4萬度電）。以美國(guó)每個(gè)家庭每日平均耗電量換算，ChatGPT每天需要消耗掉1.7萬個(gè)美國(guó)家庭一天的用電量。
由于模型參數(shù)、能耗處理等因素差異，不同AI模型的耗電量無法被準(zhǔn)確估算。于是，亞里克斯以英偉達(dá)推出的A100服務(wù)器作為測(cè)算對(duì)象，對(duì)整個(gè)人工智能行業(yè)可能產(chǎn)生的耗電量進(jìn)行估算。
基于他的假設(shè)，到2027年，英偉達(dá)可能推出150萬臺(tái)A100服務(wù)器，其中95%將被應(yīng)用于AI行業(yè)。每一臺(tái)DGX A100型號(hào)的服務(wù)器內(nèi)置8張A100芯片，以1140萬張A100芯片的耗電量進(jìn)行估算，2027年，整個(gè)人工智能行業(yè)每年的耗電量將高達(dá)85~134太瓦時(shí)（1太瓦時(shí)=1×10 千瓦時(shí)）。
也就是說，到2027年，AI耗電量或?qū)⒔咏丝诔^1000萬的瑞典或1700萬人口的荷蘭一年的總用電量，相當(dāng)于當(dāng)前全球用電量的0.5%。
按照這個(gè)估算值，AI的耗電量或?qū)⒈燃绫忍貛磐诘V。據(jù)劍橋大學(xué)計(jì)算，比特幣挖礦一年耗電量大約是165.99太瓦時(shí)，接近人口一億的埃及一年的用電量。
比特幣挖礦如此耗電，是由它的工作方式?jīng)Q定。在比特幣之父中本聰?shù)脑O(shè)計(jì)中，比特幣系統(tǒng)通過工作量證明（Proof-of-Work）的方式，讓礦工們競(jìng)相計(jì)算出一個(gè)足夠困難的哈希值（由數(shù)字+字母構(gòu)成的字符串）來創(chuàng)建新的區(qū)塊并獲取獎(jiǎng)勵(lì)。這種競(jìng)爭(zhēng)性的計(jì)算過程，需要消耗大量的電力和計(jì)算能力。
AI之所以如此能吃電，是因?yàn)榇竽Ｐ偷挠?xùn)練和推理過程均需消耗大量電力。
大模型質(zhì)量的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)、算力和頂尖人才，而高算力的背后，是靠著數(shù)萬張芯片晝夜不停的運(yùn)轉(zhuǎn)支撐。
相比于平常安裝在筆記本電腦上的CPU（中央處理器），GPU（圖形處理器）被證明是更適合AI訓(xùn)練的硬件。如果把CPU看做一個(gè)處理單任務(wù)的元件，那么GPU的優(yōu)勢(shì)就是同時(shí)處理多個(gè)并發(fā)任務(wù)。雖然GPU起初并非為了處理AI需求而生，但同時(shí)處理多任務(wù)的特質(zhì)，讓它成為進(jìn)入AI大模型訓(xùn)練場(chǎng)的門票。
快的代價(jià)是更高的能量損耗。據(jù)估算，一張GPU比CPU的能耗高出10~15倍。在大模型訓(xùn)練過程中，需要多張GPU接連不斷運(yùn)轉(zhuǎn)。大模型參數(shù)量和數(shù)據(jù)量越大，訓(xùn)練耗費(fèi)的電量也越大。
以GPT-3的訓(xùn)練為例，斯坦福人工智能研究所發(fā)布的《2023年人工智能指數(shù)報(bào)告》顯示，1750億參數(shù)的GPT-3在訓(xùn)練階段的耗電量高達(dá)1287兆瓦時(shí)。哈工大人工智能研究院院長(zhǎng)劉劼打了個(gè)比方，相當(dāng)于開車從地球到月球往返一次。
在完成訓(xùn)練后，AI在推理方面的耗電量又遠(yuǎn)超過訓(xùn)練耗費(fèi)的電量。
每響應(yīng)一個(gè)請(qǐng)求，大模型需要完成推理過程，找到最接近問題的解答。按照上述數(shù)據(jù)推算，GPT-3在訓(xùn)練階段消耗的電量，甚至無法支撐ChatGPT運(yùn)行3天。
在多模態(tài)大模型發(fā)展成為主流的情況下，在AI響應(yīng)需求的推理過程中，耗電量還將進(jìn)一步提升。據(jù)人工智能公司Hugging Face的研究，不僅多模態(tài)大模型耗電量遠(yuǎn)超過一般模型，涉及圖像處理的模型也比純文本處理更耗電。
具體到不同任務(wù)，文本分類、標(biāo)記和問答等簡(jiǎn)單任務(wù)相對(duì)低耗，千次推理僅需0.002~0.007千瓦時(shí)。而在響應(yīng)多模態(tài)任務(wù)時(shí)，一次文本到圖像生成耗能最高需要用到2.9千瓦時(shí)，相當(dāng)于ChatGPT響應(yīng)100次的耗電量。
巨頭的AI夢(mèng)，把電力缺口撕得更大
從訓(xùn)練15億參數(shù)的GPT-2到訓(xùn)練1750億參數(shù)的GPT-3，Open AI從十億參數(shù)到千億參數(shù)的跨越，僅用了一年時(shí)間。
大模型狂飆之際，越來越多的大型科技公司開始把AI和公司主營(yíng)業(yè)務(wù)的融合提上日程。
谷歌試圖在搜索中結(jié)合AI功能，但它的能耗十分驚人。去年2月，谷歌母公司Alphabet董事長(zhǎng)John Hennessy表示，在搜索中應(yīng)用人工智能的成本將是普通搜索的10倍。
前述斯坦福人工智能研究所發(fā)布的《2023年人工智能指數(shù)報(bào)告》認(rèn)為，每次AI搜索的耗電量大約為8.9瓦時(shí)，對(duì)比谷歌單次搜索0.3瓦時(shí)的耗電量，加入AI的單次耗電量幾乎是一般搜索耗電量的30倍。
和Open AI合作密切的微軟，也計(jì)劃把AI大力“塞進(jìn)”它的幾個(gè)主要產(chǎn)品線，如Office軟件、Windows操作系統(tǒng)、Bing搜索引擎、Azure云服務(wù)等。
為了提供更充足的算力，以支撐AI大模型的訓(xùn)練和使用，作為底座的基礎(chǔ)設(shè)施——數(shù)據(jù)中心的建造已被科技企業(yè)們納入下一步規(guī)劃。
2023年，谷歌斥資超25億美元，分別在俄亥俄州、愛荷華州、亞利桑那州梅薩建造數(shù)據(jù)中心?？春肁I發(fā)展的亞馬遜計(jì)劃在未來15年中投入1500億美元興建數(shù)據(jù)中心。
當(dāng)膨脹的電量需求無法被一一滿足，美國(guó)部分城市的電力拉響了告急的警報(bào)。
美國(guó)擁有全球最多的數(shù)據(jù)中心。截至2022年，美國(guó)有超2300個(gè)數(shù)據(jù)中心，占全球數(shù)據(jù)中心的1/3。
其中，包括亞馬遜、微軟、谷歌等在內(nèi)的云計(jì)算巨頭在美國(guó)本土的數(shù)據(jù)中心布局尤為龐大。據(jù)Synergy Research Group統(tǒng)計(jì)，在超大規(guī)模運(yùn)營(yíng)商當(dāng)中，亞馬遜、微軟和谷歌合計(jì)占據(jù)所有主要數(shù)據(jù)中心的一半以上。微軟在美國(guó)擁有24個(gè)可用區(qū)，一個(gè)可用區(qū)配備3個(gè)或以上數(shù)據(jù)中心。
據(jù)國(guó)際能源署（IEA）預(yù)測(cè)，未來幾年，美國(guó)數(shù)據(jù)中心用電量將快速增長(zhǎng)。IEA警告，2022年，美國(guó)數(shù)據(jù)中心的用電量已占美國(guó)總電力的4%以上，到2026年，其用電量占比將提升至6%，此后幾年還將持續(xù)擴(kuò)大。
但是，與快速增長(zhǎng)的人工智能電力需求相悖的是，美國(guó)的發(fā)電量并沒有出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)的跡象。
據(jù)美國(guó)能源信息署，2023年，美國(guó)全口徑凈發(fā)電量為41781.71億千瓦時(shí)，比上一年下降1.2%。實(shí)際上，近十年來，美國(guó)的全年凈發(fā)電量一直在40000億千瓦時(shí)的邊緣徘徊。
造成美國(guó)缺電的元兇之一是其脆弱的電網(wǎng)輸送設(shè)施。美國(guó)的變壓器、輸電線路等電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建于上世紀(jì)60年代至80年代，電路老化問題明顯。白宮在2022年的一份文件中指出，許多變壓器和輸電線路正接近或已超過其設(shè)計(jì)壽命，全國(guó)70%的輸電線路已經(jīng)使用了25年以上。
在老化的電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施之下，美國(guó)從其他地區(qū)輸電和接入可清潔能源擴(kuò)充電網(wǎng)儲(chǔ)備能量的想法均無法實(shí)現(xiàn)。美國(guó)能源部（DOE）發(fā)布的一份報(bào)告指出，在德克薩斯州、阿拉斯加州等多個(gè)地區(qū)，美國(guó)建成的輸電系統(tǒng)已面臨滿負(fù)荷的情況。
為了加強(qiáng)美國(guó)各州電網(wǎng)的彈性和可靠性，去年，美國(guó)能源部宣布，將對(duì)44個(gè)州的58個(gè)項(xiàng)目投資34.6億美元。
電力危機(jī)已近在眼前。在不久的將來，它還可能成為制約AI發(fā)展的關(guān)鍵因素。
2024年2月，在達(dá)沃斯世界經(jīng)濟(jì)論壇上，OpenAI首席執(zhí)行官薩姆·阿爾特曼提到了AI帶來的電力危機(jī)。在他看來，人工智能消耗的電力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們的預(yù)期?！拔覀兩形闯浞终J(rèn)識(shí)到AI的能源需求。如果沒有重大突破，我們就無法實(shí)現(xiàn)（通往AGI）這一目標(biāo)?！?/p>
在博世互聯(lián)網(wǎng)論壇上，特斯拉CEO馬斯克同樣強(qiáng)調(diào)了人工智能面臨的發(fā)展困境。“接下來短缺的將是電力。”他判斷，電力缺口最早可能會(huì)在2025年發(fā)生?！懊髂昴銜?huì)看到，我們沒有足夠的電力來運(yùn)行所有的芯片?！?/p>
鉗制與出路
不堪重負(fù)的電網(wǎng)已經(jīng)開始限制科技企業(yè)的業(yè)務(wù)拓展。
在社交媒體X上，開源社區(qū)OpenPipe創(chuàng)始人Kyle Corbitt分享了他和微軟工程師的對(duì)話，他們提到了Open AI在訓(xùn)練GPT-6期間，GPU在不同州之間面臨的傳輸困境。
“我們不可能在一個(gè)州投放超過10萬個(gè)H100芯片，同時(shí)還不破壞電網(wǎng)。”一張H100的最大功耗為700瓦，根據(jù)微軟工程師的測(cè)算，以年利用率61%來算，10萬張H100的耗電量將高達(dá)42兆瓦時(shí)。
為了滿足飆升的電力需求，首先被犧牲的是減少碳排放的目標(biāo)。
據(jù)《華盛頓郵報(bào)》，美國(guó)多地電力需求增長(zhǎng)超出預(yù)期。以佐治亞州為例，預(yù)計(jì)未來十年的新增用電量將是最近的17倍。位于美國(guó)堪薩斯州、內(nèi)布拉斯加州、威斯康星州和南卡羅來納州的燃煤電廠已經(jīng)決定延遲退休時(shí)間。
面對(duì)吃電大戶挖礦機(jī)，不同國(guó)家推出了程度不同的監(jiān)管政策。據(jù)美國(guó)能源部估計(jì)，加密貨幣挖礦的年用電量或占美國(guó)用電量的0.6%至2.3%。為此，美國(guó)考慮對(duì)加密貨幣挖礦業(yè)務(wù)征收高達(dá)30%的數(shù)字資產(chǎn)采礦能源消費(fèi)稅。加拿大已有三個(gè)省份宣布加密貨幣挖礦禁令。
AI也引起了監(jiān)管機(jī)構(gòu)的關(guān)注。由于每家AI企業(yè)的能源損耗情況難以被統(tǒng)一量化估計(jì)。海外監(jiān)管機(jī)構(gòu)開始推動(dòng)立法，要求人工智能開發(fā)企業(yè)披露能源的使用情況，以合理估算AI帶來的能耗影響。
今年3月，歐盟27個(gè)成員國(guó)批準(zhǔn)通過的《人工智能法案》中，要求“高風(fēng)險(xiǎn)人工智能系統(tǒng)”報(bào)告其能源消耗和資源使用情況。
科技企業(yè)的掌舵者幾年前就押注新型能源公司，期待用清潔的可再生能源支撐龐大的電力需求。
2021年，OpenAI首席執(zhí)行官阿爾特曼向核聚變初創(chuàng)公司Helion Energy投入3.75億美元。2023年5月，微軟與這家公司簽署購電協(xié)議，預(yù)定從2028年開始向其購買50兆瓦電力。壞消息是，它甚至不足以支撐GPT-3訓(xùn)練耗費(fèi)電量的1/25。
通過技術(shù)優(yōu)化性能，也能顯著降低能耗。
在今年的GTC發(fā)布會(huì)上，英偉達(dá)CEO黃仁勛帶來了一款新的GPU產(chǎn)品Blackwell。通過使用新的架構(gòu)，它的能耗降低了70%以上：訓(xùn)練一個(gè)1.8萬億參數(shù)的GPT模型，傳統(tǒng)方法可能需要8000個(gè)GPU、15兆瓦，歷時(shí)90天。而Blackwell只需2000個(gè)GPU，功耗4兆瓦。
相比馬斯克和阿爾特曼的警世之言，黃仁勛也同樣擔(dān)憂電能的供給，但他給出了一個(gè)更加樂觀的展望：“過去十年，我們將計(jì)算和人工智能提高了100萬倍……而它所消耗的成本、空間或能源，并未增長(zhǎng)100萬倍?！?/p>
寫在最后
一個(gè)多世紀(jì)之前，能源革命改變了人們的生活方式。從燃燒麥草的火力過渡到煤炭、石油，在歷史發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，人們對(duì)新能源的挖掘推動(dòng)了工業(yè)革命的進(jìn)程。
“每一個(gè)煤筐里都裝著動(dòng)力與文明?！泵绹?guó)思想家、文學(xué)家愛默生曾如是感慨。
一種能源的稀缺，往往成為挖掘新一種能源的動(dòng)力。在《黑石頭的愛與恨：煤的故事》一書中，作者巴巴拉·弗里茲講述了發(fā)生在16世紀(jì)英國(guó)的“木材危機(jī)”。
“由于城市的不斷擴(kuò)大，附近郡縣的森林漸漸被砍伐殆盡，人們不得不從越來越遠(yuǎn)的地方運(yùn)來木材.……單是倫敦的釀酒者，每年就要燒掉兩萬貨車的木頭?！碑?dāng)木頭價(jià)格的上漲超過通貨膨脹的速度，成為稀缺資源后，英國(guó)國(guó)內(nèi)的用煤量劇增。
能源的開采和使用，成為決定工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵之手。充足的煤炭支撐英國(guó)發(fā)展紡織業(yè)、鋼鐵業(yè)，成為第一次工業(yè)革命的中心，而石油的開采則帶動(dòng)汽車、飛機(jī)等行業(yè)的興旺。
在化石能源枯竭的危機(jī)下，對(duì)新能源的利用，不僅能緩解迫近人工智能行業(yè)的能源危機(jī)，也承載著人類科技繼續(xù)前行的“動(dòng)力與文明”。