數據中心用電量激增，人工智能威脅全球電力系統

引用編者按：今年早些時候，馬斯克預測，為了滿足人工智能和電動汽車的需求，未來幾年將出現電力短缺。他警告道，這些技術的同步發展將給現有的電力基礎設施帶來壓力，到 2025 年，電力供應可能不足以為越來越多的人工智能芯片供電。

《紐約客》也曾報道，估計 OpenAI 的 ChatGPT 每天要消耗 50 多萬千瓦時的電力，才能響應每天約 2 億用户的請求。這是美國家庭平均每日能源使用量的 1.7 萬多倍。

彭博社剛剛撰寫了一篇文章，稱在全球許多地區，人工智能數據中心用電需求激增，當地現有電力設施已無法滿足其用電需求，「人工智能已對全球電力系統造成嚴重破壞」。

以下是彭博社報道的全文譯文，由愛範兒整理翻譯。

原文鏈接：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

與弗吉尼亞州北部的大部分地區一樣，勞登縣曾經以馬場和美國內戰遺址而聞名。但在過去的 15 年裏，這個社區的許多田野和森林都被清理一空，用來建造構成我們數字生活支柱的數據中心。

現在，人工智能的興起正在推動對更大數據中心的需求，從而進一步改變了這裏的地貌，並對該地區的能源網造成了巨大壓力。
今年春天一個晴朗的下午，最新的數據中心即將完工。完工後，這座 20 萬平方英尺的建築未來所消耗的能源，將相當於美國三萬個家庭的日常用電量。

但首先，它需要獲得足夠的電力……

▲ 弗吉尼亞州的 Databank 數據中心。圖片來源：Black Ridge

數據中心供應商 DataBank 迫切需要能源供應，該公司擁有弗吉尼亞的這座數據中心。一家未透露名稱的「大型科技」客户租用了整個數據中心，並急切地希望利用該數據中心為人工智能應用獲取計算資源，以至於在 DataBank 計劃為其提供電力之前，該客户就在大樓裏安裝好了服務器。
「這就是人工智能的問題所在。他們需要大量的電力，而一旦你有了電力，他們就會立刻想要」，管理 DataBank 部分設施的詹姆斯-馬特斯（James Mathes）説。「現在，人工智能就像一張空白支票。」

根據對數據中心運營商、能源供應商和科技高管的採訪，數據中心幾乎一夜之間激增的電力需求，已經在世界許多地方超過了現有的電力供應。這種動態導致企業接入電網的等待時間長達數年，並且對於生活在數據中心最密集市場的居民來説，人們也越來越擔心停電和價格上漲。

▲ 蘋果數據中心內部。圖片來源：蘋果

硅谷不惜一切代價發展人工智能的做法導致電力需求急劇增加，這也威脅到整個國家的能源轉型計劃和價值數萬億的科技公司的清潔能源目標。根據彭博社對最新數據的分析，在一些國家，包括沙特阿拉伯、愛爾蘭和馬來西亞，它們計劃建造的所有數據中心在滿負荷運行時所需的能源，超過了現有的可再生能源供應。
根據官方估計，瑞典的數據中心電力需求到本十年末可能會翻一番，然後在 2040 年前再翻一番。在英國，人工智能在未來十年的耗電量預計將增加 500%。而在美國，數據中心的用電量佔全部電力的比例，預計將從 2022 年的 3% 上升到 2030 年的 8%，高盛將其描述為「一代人前所未見的電力增長」。

全球已建成或處於不同建設階段的數據中心已超過 7000 個，而 2015 年僅為 3600 個。

如果這些數據中心持續運行，每年總耗電量可達 508 太瓦時。這比意大利或澳大利亞的全年的總髮電量還要大。

到 2034 年，全球數據中心的能耗預計將達到 1580 太瓦時，與印度全國的能耗相當。

▲ 谷歌數據中心內部。圖片來源：谷歌

這些只是估算，目前的人工智能熱潮將如何發展，仍存在很大的不確定性。數據中心開發商對電力需求的預測與實際發電量之間也存在差異。

雖然科技公司很快就指出，即使數據中心不斷擴張，其能源使用量也只佔全球能源使用量的不到 2%，但據高盛公司 4 月份的一份報告估計，到本十年末，這一數字可能會上升到 4%。鑑於整體電力需求多年來幾乎持平，甚至在某些地區還在下降，因此任何一個百分點的增長都有着巨大影響。

美國 NextEra Energy 公司首席執行官約翰·凱徹姆（John Ketchum）表示，在未來二十年裏，美國的電力需求預計將增長 40%，而在過去二十年裏，美國的電力需求僅增長了 9%。凱徹姆説，數據中心是需求激增的最大原因，電氣化和製造業也是其他因素。當被問及為什麼數據中心會突然消耗這麼多電力時，他的回答很直截了當：” 因為人工智能。他提到了訓練模型所需的能源，以及人工智能從未曾見過的數據中得出結論的推理過程。「這是 10 到 15 倍的耗電量。」

▲ 美國 NextEra Energy 公司的風力發電場。圖片來源：NextEra Energy

美國最大的雲服務提供商亞馬遜、微軟和 Alphabet 旗下的谷歌都宣佈了完全使用綠色能源運行其數據中心的目標 —— 亞馬遜明年實現，谷歌和微軟到 2030 年實現。這三家公司都表示，他們正在研究減少用電量或更有效地平衡電網需求的技術方法。這可能包括從芯片和服務器中榨取更高的效率，通過更好的方式佈置設備以減少散熱需求，以及根據能源（尤其是綠色能源）的可用性將負載轉移到不同的區域。

但是，OpenAI 首席執行官薩姆-奧特曼（Sam Altman）等一些科技領袖表示，要適應這種新形勢，就需要能源方面的突破 —— 很可能來自核能。微軟和亞馬遜也在核能上下注，亞馬遜最近在賓夕法尼亞州購買了一個核動力數據中心，並表示願意購買更多。目前，前進的道路仍不明朗。微軟最近承認，其推動的人工智能正在危及其長期堅持的到 2030 年實現負碳排放的目標。

「我們需要太瓦級的傳統綠色能源，不管是風能還是太陽能，這需要全球範圍內的努力」，谷歌全球數據中心能源主管阿曼達·彼得森·科里奧（Amanda Peterson Corio）説到，她談論的範圍不僅限於人工智能個需求。一太瓦相當於大約 1000 座核電站的發電量。「我們當然希望自己脱碳，但如果我們只是自己脱碳，而不是整個電網脱碳，那又有什麼意義呢？」
▲ 蘋果推出了一系列碳中和產品。圖片來源：蘋果

在現今的數據中心裏，你可能會發現成千上萬的英偉達 H100 顯卡 —— 生成式人工智能熱潮的引擎 —— 每個顯卡的功耗高達 700 瓦，幾乎是一台 60 英寸平板電視功耗的八倍。為訓練人工智能模型而建立的數據中心所需的電力甚至更多。例如，微軟就在一個用於開發 OpenAI 技術的數據中心內，串聯了數以萬計的英偉達顯卡。這些顯卡由網絡和其他類型的芯片提供支持，再加上數據中心中用於散熱設備，耗電量就更為龐大。

硅谷的傳統觀點認為，所需的能源只會越來越多。英偉達的最新顯卡 B100 的耗電量幾乎是 H100 的兩倍。英偉達認為，企業將能夠用更少的芯片做更多的事情，但英偉達加速計算部門主管伊恩·巴克（Ian Buck）承認，人工智能的部署很可能會增加。他説：「人們喜歡填滿他們的數據中心。」
▲ 英偉達 H100 顯卡。圖片來源：英偉達

人工智能的發展也日新月異，人們熱衷於開發更大的人工智能模型。2020 年建造的微軟超級計算機訓練了 OpenAI 的 GPT-3 ，使用了 1 萬個當時最新的人工智能芯片。根據微軟 Azure 首席技術官馬克·魯西諾維奇（Mark Russinovich）五月份的演講，2023 年 11 月微軟的超級計算機使用了 1.44 萬個頂級的英偉達 H100 顯卡，而正在設計中的下一個超級計算機將比現在強大 30 倍。

與此同時，英偉達公司首席執行官黃仁勳表示，許多國家將推動建立自己的「自主產權」人工智能系統，以保持競爭力並在本地處理數據。全球人工智能爭霸戰很可能取決於哪些國家擁有足夠的數據中心和電力來支持這項技術。如果是這樣的話，那麼勞登縣就是世界其他地區未來發展的一個縮影 —— 以及其他國家將面臨的保持競爭力的挑戰。
世界數據中心之都

過去五年間，為勞登縣提供服務的多米尼恩電力公司（Dominion Energy Inc.），也被稱為「數據中心巷道」，連接了 94 個數據中心，總共消耗約四吉瓦的電力。現在，該公司正在處理數據中心園區的請求，這些數據中心的耗電量將達到數吉瓦，足以為數十萬個家庭供電，其中兩三個數據中心的耗電量加起來可能相當於 2019 年以來接入的所有設施的耗電量總和。

需求的激增造成了積壓。數據中心開發商現在需要等待更長的時間才能將他們的項目接入電網。多米尼恩電力公司總裁愛德華·貝恩（Edward Baine）在接受採訪時説：「可能快則兩年，慢則四年，這取決於需要建設的項目。」

▲ 多米尼恩電力公司。圖片來源：FFXnow

多米尼恩電力公司正在努力建設基礎設施來支持這一計劃。新的輸電線懸掛在巨大的金屬塔上，沿着公路和小溪鋪設，為這些高聳、沒有窗户的數據中心供電。該公司正在海岸附近新建一個大型風力發電場和許多太陽能發電場，但煤炭和天然氣發電廠也可以保持更長時間的在線運行。

2022 年底，多米尼恩電力公司向監管機構提交了一份此前未曾報道的信函，要求允許其建設新的變電站和輸電線路，以滿足「前所未有」的負荷增長。在信中，多米尼恩電力公司表示在當年春季經歷了 18 次負荷緩解警告。當電網運營商告知該公司可能需要減載時，就會發出這些警告。「減載」是一個專業術語，指有控制地中斷向客户供電，其中可能包括輪流停電。

多米尼恩電力公司告訴監管機構：「這遠遠超出了正常、安全的操作規程。」

▲ 一處位於弗吉尼亞州阿什本的 DataBank 數據中心。圖片來源：彭博社

在努力滿足電力需求方面，弗吉尼亞州並非孤軍奮戰。英國數據中心運營商 Kao Data 的董事長大衞·布魯姆（David Bloom）表示，在歷來被視為數據中心樞紐的倫敦西部，新設施必須等到 2030 年才能接入電網。他説：「我們現在正被推向新的地點。」同樣，在可再生能源市場強勁的瑞典南部，併網需求如此之大，以至於企業可能需要等待數年。德國 E.ON SE 電力公司 的瑞典南部地區經理彼得·哈馬爾（Peter Hjalmar）説：「我們有一個隊列，你需要拿到你的票。」摩根士丹利（Morgan Stanley）最近的一份分析報告顯示，在美國各地，許多新的人工智能數據中心預計每個將消耗 100 兆瓦的電力，這讓分析師不禁質疑：「如何及時為所有擬建立的數據中心項目供電？」據 NextEra 公司稱，由於需求量如此之大，大型科技公司正在對可隨時供電的數據中心場地進行競標。

艾倫人工智能研究所（Allen Institute for AI）首席執行官阿里·法哈迪（Ali Farhadi）表示，預計數據中心的增長也可能會遇到輸電線路輸送電力的限制。他説：「我不認為我們能在全球範圍內輸送那麼多電力，更不用説發電了。」

能源分析師表示，隨着時間的推移，數據中心的效率會越來越高，但它們的規模也會越來越大。根據市場情報公司 DC Byte 的數據，目前全球數據中心設施的平均面積為 412,000 平方英尺，比 2010 年增長了近五倍。

專家表示，數據中心需求的激增，加上多米尼恩等電力公司對新變電站、輸電線路和其他基礎設施的大量投資，也增加了客户看到能源價格上漲的可能性。一些升級改造的成本通常會分配給整個地區的電力用户，在每個人的月度公用事業賬單上顯示為一個細列項目。

高盛公司估計，美國公用事業公司將不得不投資大約 500 億美元，用於支持數據中心的新發電能力。能源諮詢公司伍德麥肯茲（Wood Mackenzie）的電力市場分析師帕特里克·芬恩（Patrick Finn）説：「這將提高能源批發價格和零售價格。」

多米尼恩電力公司的一位代表表示，包括電網改造在內的成本將根據為每類客户提供服務的實際成本，在從住宅到工業的每一類客户之間進行分配。因此，近年來住宅客户的輸電成本份額有所下降，而數據中心的份額則有所上升。
▲ 電力傳輸線路。圖片來源：Unsplash

在另一個嚴重飽和的市場 —— 愛爾蘭，也出現了一些費率上調的早期跡象。愛爾蘭氣候温和，吸引了微軟、亞馬遜和其他公司的眾多數據中心，預計到 2026 年，這些設施將消耗愛爾蘭三分之一的能源，而 2022 年僅為 18%。

今年，愛爾蘭的電力批發價格平均比歐洲其他國家高出三分之一。康沃爾洞察公司（Cornwall Insight）的高級建模師薩拉·諾蘭（Sarah Nolan）説，包括愛爾蘭地理位置在內的其他因素也起到了一定作用，但數據中心需求的不斷增長也是原因之一，而就在人工智能熱潮掀起之前，愛爾蘭還採取了強有力的措施來限制數據中心的建設。
為了管理能源限制，愛爾蘭國有電力運營商於 2022 年初在都柏林實施了一項暫停令，並規定了將新數據中心接入電網的條件，包括優先考慮那些自己發電的數據中心。負責吸引外國直接投資的愛爾蘭開發協會（IDA Ireland）的技術、消費者和商業服務主管多納爾·特拉弗斯（Donal Travers）表示，愛爾蘭國有電力運營商制定了「全面」的電網建設計劃。但他表示，預計對新的大型電網連接限制「可能會持續到 2028 年左右。」

與此同時，其他地區也迫不及待地敞開了大門。

▲ 2024 年 3 月 20 日，弗吉尼亞州蓋恩斯維爾正在建設中的新數據中心。圖片來源：彭博社

下一個弗吉尼亞
當蘭古·薩爾加梅（Rangu Salgame）放眼馬來西亞時，他看到下一個弗吉尼亞州「正在形成」。柔佛州是馬來西亞半島最南端的一個州，制定了加快數據中心審批的政策。最重要的是，這裏距離新加坡也很近，新加坡長期以來一直是數據中心的樞紐，為了管理這個小島上的能源增長，新加坡已暫停新建設施數年。

新山市的郊區曾經是一個沉睡的漁村，而現在則是大片的建築工地。微軟和亞馬遜正在該地區投資，薩爾蓋姆的公司普林斯頓數字集團（PDG）也是如此。在距離新山市中心以南約 40 英里的賽德納克科技園（Sedenak Tech Park），高聳的塔吊點綴着天空。PDG 新的 150 兆瓦數據中心佔據了園區的一角，對面是其他供應商的類似設施。

薩爾加梅説：「我們在 12 個月內就完成了從動土到投產的過程」，他預計兩年內在柔佛擁有 300 兆瓦的產能。「世界上並非所有地區都能以這樣的速度和規模進行生產。」


與馬來西亞一樣，得克薩斯州已成為美國增長最快的數據中心市場之一，這部分歸功於其獨立和放松管制的電網縮短了等待時間的承諾。據 DC Byte 報道，微軟公司能源副總裁鮑比·霍利斯（Bobby Hollis）表示，德克薩斯州的數據中心可以在建設數據中心所需的一到兩年時間內併網。

霍利斯説，得克薩斯州有豐富的太陽能資源，在該州的鍋柄平原區，擁有世界上最好的風能資源。但炎熱的氣候和緊張的水源供應正促使微軟和谷歌嘗試使其數據中心的冷卻設備脱離對水的依賴。然而，替代方法需要更多的能源，根據微軟的數據，平均大約需要多 5% 的能源。

雖然得克薩斯州的電力看起來很充足，但也有其侷限性。霍利斯説，太陽能電池板和其他清潔能源所需的設備開始出現供應緊張。德克薩斯州電力可靠性委員會（Electric Reliability Council of Texas）最近也警告説，它低估了微軟大型數據中心園區所在的聖安東尼奧地區的需求，這有可能在未來造成全州範圍內的連鎖停電。

▲ 德克薩斯州電力可靠性委員會。圖片來源：維基百科

在弗吉尼亞州，反對數據中心的呼聲日益高漲。在威廉王子郡三月份的監督委員會會議上，沮喪的居民大聲呼籲，反對一項允許在特定土地上建設約兩倍高的數據中心的分區變更。一名女子告訴官員們，數據中心正在把她寧靜的社區變成一場「反烏托邦噩夢」。

一位名叫雷切爾·埃利斯（Rachel Ellis）的 48 歲家庭主婦遠程發言説，這一改變意味着對已經緊張的電網提出更多要求。她説：「在不瞭解電力將從何而來的情況下，繼續批准數據中心的建設是一種魯莽的管理行為。」

在聽取了十幾位反對改變分區的人的發言後，監督委員會進行了投票。更大的數據中心獲得了批准。


資料來源：愛範兒（ifanr）