算能融合
——構建全國一體化算力體系的基石

■清華大學信息國家研究中心研究員 曹軍威

通用人工智能大發展已經影響到社會經濟的方方面面，今年政府工作報告正式提出開展“人工智能+”行動。數據、算法和算力是人工智能實現的三大要素，報告明確指出：“適度超前建設數字基礎設施，加快形成全國一體化算力體系。”本文從算力需求出發，以基礎設施發展的統一視角，結合綠色計算、云計算、智能電網和能源互聯網等技術發展的歷史，提出算能融合的必然性，并從能量、信息、業務和價值四個層面詳細介紹算能融合的基本理念和典型場景，指出全國一體化算力體系中算能融合理念與實踐的核心和基石作用，并總結未來算能融合發展的主要趨勢和特點。

以ChatGPT 為代表的通用人工智能開啟了人類發展邁向智能化的新時代，數據、算法和算力是人工智能實現的三要素，在可以預見的未來，通用人工智能對算力的要求將呈指數級增長。最近，特斯拉、SpaceX 首席執行官埃隆·馬斯克提到：“我從未見過任何技術能比人工智能計算能力的發展更快。人工智能上線的算力似乎每6 個月就會增加10 倍。”他接著提到：“接下來短缺的將是電力。我認為明年，你會看到，沒有足夠的電力來運行所有的芯片。”近日，英偉達首席執行官黃仁勛強調：“不應僅僅關注計算力，而是需要更全面地考慮能源消耗問題。我們不能只想著算力，如果只考慮計算機，我們需要燒掉14個地球的能源。”同時，近期OpenAl創始人奧特曼也提出了類似的看法，他認為：“未來人工智能技術的發展將高度依賴于能源，特別是光伏和儲能技術的進步。”人工智能發展可能引發的能源問題在國際上已經引起了廣泛關注。

政府工作報告在深入推進數字經濟創新發展方面，提到深化大數據、人工智能等研發應用，開展“人工智能+”行動，這是“人工智能+”首次被寫入政府工作報告中。其實今年2月，國務院國資委就召開了“AI 賦能 產業煥新”中央企業人工智能專題推進會，強調中央企業要把發展人工智能放在全局工作中統籌謀劃，深入推進產業煥新，加快布局和發展人工智能產業。另外，政府工作報告還首提“全國一體化算力體系”，事實上，去年底國家發展改革委等部門就聯合印發了《關于深入實施“東數西算”工程加快構建全國一體化算力網的實施意見》，要求構建跨區域算力調度體系，探索建立跨地區算電融合協同機制。可見算力與能源的融合發展已經在我國引起了高度重視。

發展背景

能源電力是傳統基礎設施，已經有上百年的發展歷史，而計算機互聯網的發展只有幾十年的歷史，真正從基礎設施的視角去理解和認識算力還是近二三十年的事情。因此從基礎設施的統一視角去認識算能融合的相關理念、場景和應用具有重要意義，可以相互啟發，相輔相成共同發展。

基礎設施（Infrastructure）一詞從20 世紀20年代開始被用作公路、電網、電話、橋梁以及鐵路等類似公共設施的總稱，為工業經濟的發展起到了支撐作用。雖然好的基礎架構經常被人忽視，其重要性也只有在出現故障時才能體現出來，但基礎設施的確是人類創造出的復雜而昂貴的系統。美國NSF 于2003 年提出了信息基礎設施（Cyberinfrastructure,簡稱CI）的概念，其作為一個新名詞主要指基于計算機、信息和通信技術的基礎設施。CI對于知識經濟的重要性可以與傳統基礎設施對工業經濟的支撐作用相比擬。

基礎設施本身具有鮮明的兩面性，從內部看基礎設施的復雜性必須通過高度專業化的運營管理來解決；而從外部看，用戶所獲得的往往是方便、便宜、安全、可靠和持久的服務。因此，基礎設施的價值往往不在于其本身的昂貴，而更多的應該從其所服務的對象身上去體現，就是所謂的“賦能”。

傳統基礎設施的概念更偏向能源、交通等類似的物理系統，為工業經濟的發展起到了支撐作用。我國在2020年正式提出新型基礎設施建設，反映出數字和知識經濟時代的新要求，具有鮮明的信息物理融合特征，即在信息基礎設施的基礎上，發展智慧能源基礎設施、智慧交通基礎設施等融合基礎設施，并鼓勵和提倡創新。

信息技術的發展事實上直到近十年才開始具備基礎設施實現的可能，比如云計算提供計算和存儲等資源的公用性，而數據中心是其基礎設施層面的載體；5G 通信會提供無所不在的人和物聯網的接入服務，而鐵塔基站等構成相應的基礎設施等，同時數據中心和鐵塔基站的建設又離不開能源電力基礎設施的支撐。而本文討論的算能融合又是這一趨勢在人工智能大發展新時代的具體延伸。

歷史沿革

算能融合不是一個新理念，其相關技術的發展可以追溯到二三十年前，主要有兩方面的發展趨勢：一個是從計算技術的發展出發，不斷去結合能源電力的消耗、效率和綠色化的問題；另一方面是能源電力技術的發展，尤其是近年來新能源和新型儲能的發展，要不斷地結合計算機、互聯網、物聯網和人工智能技術的應用而走向數字化智能化。而類似能源互聯網的理念又能夠很好地將兩個方面從基礎設施的視角加以融合，是未來發展算能融合要尤其關注的。算能融合的發展具體分為五個階段：

最早可以追溯到20 世紀90 年代，信息技術領域面臨計算機的硬件軟件不能共享的問題，購買一臺計算機，其資源、軟件、硬件利用率都很低，能不能跟電網（Power Grid）類似，實現計算網格（Computational Grid），將大規模存儲和超算等資源通過網絡互聯實現資源共享、即插即用、按用付費，這實際上是電力和算力在理念上相互借鑒的開始，也是第一個階段。

第二階段開始于21世紀初期，當把數據中心看成底層的信息基礎設施，我們發現它的運行成本50%以上來源于能源消耗。所以彼時學術界提出了電力感知計算（Power-aware Computing），谷歌和微軟等IT企業發現大型數據中心的用電量可以跟一個中小城鎮相匹敵的時候，開始研究與電廠和電網等電力基礎設施相結合的數據中心能源解決方案。后來進一步提出的綠色計算（Green Computing）的理念，更把計算的高性能與能耗掛鉤，提出高能效的重要性。

第三階段開始于大約15 年前，能源電力系統開始認識到信息技術的重要性，從美國到中國開始發展智能電網，這導致了今天以“云大物移智鏈”為代表的新一代信息技術在能源電力系統的廣泛應用，能源數字化智能化仍然是能源行業轉型升級的主要方式。

第四階段是從10 年前開始，我們總結了能源互聯網的理念和技術架構，把底層的信息能源基礎設施一體化，自下而上地構建能源基礎設施，跟上層智慧能源、信息和價值的分享結合在一起形成一個能源互聯網的整體技術架構。能源互聯網的發展是第三次工業革命和我國能源革命的重要標志，是我國2015年開始實施“互聯網+”計劃在能源領域的重要抓手。

第五階段是近5年來，云計算為代表的信息技術基礎設施化已經成型，國家提出構建新型電力系統，數據中心和新能源均納入新基建范疇。算力的大發展成為新一輪基礎設施建設的引擎，類似之前“西電東送”工程，國家推動“東數西算”樞紐節點工程建設的同時，又開始強調全國一體化算力網的建設。這又令人回想起30年前計算網格的初衷（雖然是以超算為主演化為智算為主），回顧歷史的螺旋式進步和發展，我們認為，計算與能源的深度融合仍將是未來構建全國一體化算力體系的基石。

基本理念

算能融合理念的總體目標應該始終兼顧智能高效與綠色低碳，不僅關注算力本身的高性能、高效率，還應該從能效的角度出發，同時關注算力對應所消耗的能源屬性，比如是否支持綠色低碳發展。主要體現在能量、信息、業務和價值四個層面：

算力負荷與多能互補耦合。在能量層面，算力作為能源系統源網荷儲各個環節中的負荷，其空間上的可轉移性和時間上的可平移性決定了，在與風光等新能源、電網和新型儲能互動實現能量平衡方面，可以發揮一定的耦合作用。

算力網與能源互聯網一體。在信息層面，全國一體化算力網的建設應該充分借鑒能源互聯網信息能源基礎設施一體化理念，甚至可以共用通信、存儲和計算等基礎設施。

算力調度與能量管理協同。在業務層面，算力調度需要考慮的不僅僅是計算任務的分配和完成，同時應該結合能源互聯網能量管理系統(EMS)的要求，EMS 可以利用算力調度實現需求側管理與響應。

算力市場與能源價值統籌。在價值層面，建立全國一體化算力大市場，應該與具有商品屬性的能源電力市場和交易統籌考慮，而能源交易不僅僅是能量本身的交易，還包括綠證交易、碳交易等多方面屬性的價值體現。

典型場景

算能融合的典型場景可以體現在建設、運行、平臺、應用和市場等多個環節，均表現出算力為能源服務、能源為算力服務的雙向作用，達到融合的效果。本文算力主要指支撐人工智能技術發展的智算，而能源主要指代表未來發展方向的新能源和新型儲能等。

新能源綠色智算中心建設。在基礎設施建設方面，智算中心供能可以通過規劃以新能源和新型儲能為主體的源網荷儲一體化系統來支撐；同時新能源建設本身面臨的消納問題也可以通過智算中心算力負荷來實現。

智算中心冷熱電多能互補。在基礎設施運行方面，智算中心運行會產生熱量，需要解決制冷問題，而通過熱量的回收和利用，可以滿足周邊冷熱電多能互補能源系統的能量需求。

一體化信息管理平臺實現。在信息平臺方面，算力網絡和能源互聯網運行都有物聯、傳感、通信、存儲、計算和安全等要求，可以重用基礎設施和平臺加以實現，避免重復開發和浪費。

綠色算力和智慧能源應用。在高級應用方面，綠色算力的實現需要新能源和新型儲能的調度來支撐；而智慧能源管理也需要人工智能技術來實現數據驅動的能量管理。

算力、綠電和碳交易結合。在市場交易方面，算力調度如果考慮能量在時間和空間上價值的不同，在滿足用戶需求的基礎上可以實現更好的經濟性；綠色低碳本身具備能量交易之外的價值，也可以賦予算力相應的價值屬性。

總結展望

人工智能成為發展新質生產力的重要引擎，這決定了在未來一段時期支持人工智能技術的算力網絡將大規模發展，并通過“人工智能+”賦能各行各業。全國一體化算力體系涉及的內容比較廣泛，包括頂層設計、政策制度、技術體系、標準規范、市場環境等諸多方面，而以算能融合理念為核心基石，其發展會呈現以下趨勢和特點：

互聯互通。在網絡互聯互通的基礎上，要實現算力和應用互聯互通，將增強對能源互聯的需求，進一步推動信息能源基礎設施一體化。

基礎制度。數據確權、共享、交易、安全等基礎制度的不斷完善，會大力促進能源數字化智能化的發展。

技術創新。通用人工智能引發新一輪技術革命，將深刻影響甚至顛覆傳統能源系統從設計、建設、運行到運營各個環節，真正形成新質生產力，推動能源行業轉型升級煥新。

標準規范。算能融合將催生新一輪跨界標準規范的制定和實施，傳統專業化的知識壁壘將不復存在，跨領域合作協同將無處不在。

市場環境。數據和算力的發展將逐步形成全國統一算力大市場，而能源電力體制改革和市場化交易的推進也處于關鍵階段，兩者可以互相促進。■