中美誰(shuí)更能保障人工智能用電

能源和人工智能的關(guān)系正越來(lái)越緊密。

國(guó)際能源署（IEA）4月11日發(fā)布《能源和人工智能：世界能源展望特別報(bào)告》（下稱IEA報(bào)告）稱，能源是人工智能技術(shù)革命的核心之一，但人們?nèi)狈?duì)能源和人工智能利害關(guān)系的理解。負(fù)擔(dān)得起、可靠和可持續(xù)的電力供應(yīng)將是人工智能發(fā)展的關(guān)鍵決定因素。

人工智能（Artificial Intelligence，下稱AI）建立在龐大的數(shù)據(jù)中心之上。據(jù)IEA統(tǒng)計(jì)，2024年，數(shù)據(jù)中心約占全球用電量的1.5%，即415太瓦時(shí)（TWh）。其中，美國(guó)占全球數(shù)據(jù)中心用電量的份額為45%，其次是中國(guó)（25%）和歐洲（15%）。自2017年以來(lái)，全球數(shù)據(jù)中心用電量每年增長(zhǎng)約12%，比總用電量增長(zhǎng)速度快4倍多。

目前AI用電量占全社會(huì)用電總量比例并不高，但從增長(zhǎng)速度、密集性等特點(diǎn)上看，AI對(duì)電力系統(tǒng)可能造成的沖擊將越來(lái)越大。美國(guó)近一半的數(shù)據(jù)中心位于五個(gè)區(qū)域集群，其占當(dāng)?shù)赜秒娍偭康谋戎卦?0%-25%，當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)因此產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)已開(kāi)始凸顯。

據(jù)IEA報(bào)告統(tǒng)計(jì)，從現(xiàn)在到2030年，美國(guó)數(shù)據(jù)中心用電增量將占電力總需求增量的近一半。彭博新能源財(cái)經(jīng)預(yù)計(jì)，未來(lái)五年，美國(guó)數(shù)據(jù)中心的能源需求增長(zhǎng)將超過(guò)新能源汽車、氫和所有其他需求類別。

美國(guó)目前的數(shù)據(jù)中心用能由天然氣發(fā)電主導(dǎo)，中國(guó)則由煤電主導(dǎo)。中美為未來(lái)更龐大的數(shù)據(jù)中心用電規(guī)模都在提前布局和謀劃。

特朗普政府已發(fā)布兩項(xiàng)相關(guān)政策，2025年2月14日，特朗普成立國(guó)家能源委員會(huì)，增加更多電力供應(yīng)；4月9日，特朗普簽署行政命令擴(kuò)大美國(guó)煤炭開(kāi)采和使用。特朗普及其幕僚強(qiáng)調(diào)，美國(guó)必須有更多、可靠、廉價(jià)的電力，以使美國(guó)在人工智能的全球競(jìng)爭(zhēng)中獲勝。

中國(guó)近30年的電力消費(fèi)和裝機(jī)都在快速增長(zhǎng)，AI用電增長(zhǎng)的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)更可控，政策重點(diǎn)是引導(dǎo)其使用更多可再生能源。2024年7月，國(guó)家發(fā)展改革委等四部門發(fā)布《數(shù)據(jù)中心綠色低碳發(fā)展專項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃》；2025年3月，國(guó)家發(fā)展改革委等部門下發(fā)《關(guān)于促進(jìn)可再生能源綠色電力證書(shū)市場(chǎng)高質(zhì)量發(fā)展的意見(jiàn)》，要求國(guó)家樞紐節(jié)點(diǎn)新建數(shù)據(jù)中心綠色電力消費(fèi)比例要在80%基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升。

華北電力大學(xué)教授丁肇豪在《知識(shí)分子·科學(xué)四十人》座談上表示，AI和數(shù)據(jù)中心的快速增長(zhǎng)，要求電力能源行業(yè)必須做中長(zhǎng)期的預(yù)測(cè)和規(guī)劃，要從總量上評(píng)估電源供應(yīng)和輸電通道建設(shè)等方面是否能夠滿足需求。此外，基于數(shù)據(jù)中心未來(lái)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的系統(tǒng)影響，要考慮是否擁有足夠多的手段保障電網(wǎng)安全。

AI對(duì)電力系統(tǒng)的沖擊幾何？

AI的出現(xiàn)，讓數(shù)字技術(shù)對(duì)電力的需求劇增。在AI出現(xiàn)之前，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的IT負(fù)載容量（是指數(shù)據(jù)中心中所有IT設(shè)備，如服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等在正常運(yùn)行時(shí)所需的電力總和）約為5兆瓦（MW）-25兆瓦。一個(gè)以AI為重點(diǎn)的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心IT負(fù)載容量可達(dá)到100兆瓦或更多，每年消耗的電力相當(dāng)于10萬(wàn)個(gè)家庭。

IEA報(bào)告預(yù)計(jì)，到2030年，全球數(shù)據(jù)中心的用電量將是2024年的2倍以上，達(dá)到945TWh左右，略高于日本目前的總用電量。按照目前的發(fā)展趨勢(shì)，到2035年，全球數(shù)據(jù)中心的用電量將上升到1200TWh左右。

目前美國(guó)有六個(gè)州的數(shù)據(jù)中心已經(jīng)消耗了當(dāng)?shù)爻^(guò)10%的電力供應(yīng)，最高的弗吉尼亞州達(dá)到25%。全球數(shù)據(jù)中心耗電量占比最高的國(guó)家是愛(ài)爾蘭，已達(dá)到約20%。

算力帶來(lái)的電力需求呈現(xiàn)集中的特點(diǎn)，使得算力樞紐地區(qū)的電力負(fù)荷占比和影響更加突出。

中國(guó)信通院云計(jì)算與大數(shù)據(jù)研究所有關(guān)專家發(fā)表的《算力協(xié)同發(fā)展內(nèi)涵與關(guān)鍵舉措研究》一文指出，隨著“東數(shù)西算”政策推進(jìn)，新建的大型、超大型算力中心向八大樞紐節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移，截至2023年底，八大樞紐節(jié)點(diǎn)機(jī)架數(shù)占全國(guó)七成以上，其中京津冀和長(zhǎng)三角占比分別為21.5%和24.5%，樞紐節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)負(fù)荷聚集度高、密度大的特點(diǎn)，在夏季等用電高峰時(shí)段對(duì)局地、局時(shí)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)挑戰(zhàn)。張家口市數(shù)據(jù)中心用電量占全社會(huì)用電量的比重已經(jīng)從2019年的6.8%增長(zhǎng)至2023年的201%。

在2024年IEEE（電氣電子工程師學(xué)會(huì)）電力與能源協(xié)會(huì)年上，PJM（美國(guó)最大的電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商，負(fù)責(zé)美國(guó)13個(gè)州以及華盛頓特區(qū)的電力系統(tǒng)運(yùn)行與管理）電力規(guī)劃負(fù)責(zé)人介紹說(shuō)，PJM涵蓋了美國(guó)主要數(shù)據(jù)中心的富集區(qū)，近期突然發(fā)現(xiàn)需要對(duì)電力規(guī)劃做出重大調(diào)整，因?yàn)樵S多新的數(shù)據(jù)中心需要接入電網(wǎng)，而現(xiàn)有的輸電能力和電能供應(yīng)能力無(wú)法滿足這些新的需求。

彭博新能源財(cái)經(jīng)預(yù)計(jì)，到2035年，PJM所轄地區(qū)將占美國(guó)數(shù)據(jù)中心總?cè)萘康?9%。該地區(qū)包括弗吉尼亞州（“數(shù)據(jù)中心巷”所在地）和俄亥俄州（新興增長(zhǎng)樞紐）等數(shù)據(jù)中心大州。

埃隆·馬斯克在旗下xAI公司推出Grok-3大模型的發(fā)布會(huì)上說(shuō)，研發(fā)大模型最大的困難是為自建數(shù)據(jù)中心提供能源。因?yàn)樵摂?shù)據(jù)中心所在地區(qū)的能源供應(yīng)不足，馬斯克不得不租用了全美國(guó)四分之一的移動(dòng)冷卻設(shè)施，在數(shù)據(jù)中心的建筑外圍臨時(shí)補(bǔ)充了一排又一排的小型發(fā)電機(jī)，才使該模型的訓(xùn)練得以完成。

彭博新能源財(cái)經(jīng)發(fā)布的報(bào)告稱，為了AI龐大的計(jì)算需求，GPU等專用芯片安裝于服務(wù)器機(jī)架——容納一排排計(jì)算設(shè)備的高大金屬框架里。與非AI服務(wù)器機(jī)架相比，這些機(jī)架目前消耗多達(dá)10倍的電力。這種電力和密度的激增正在改變數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)、冷卻和供電方式。

中國(guó)信通院發(fā)布的《中國(guó)綠色算力發(fā)展研究報(bào)告（2024）》指出，生成式人工智能（AIGC）要求服務(wù)器提供高密度的算力服務(wù)，傳統(tǒng)的2.5KW（千瓦）-4KW的單柜已經(jīng)不能滿足AIGC市場(chǎng)的需求，20KW-40KW的高密度服務(wù)逐漸成為主流。黃偉介紹，英偉達(dá)GB200 NVL72機(jī)柜功率達(dá)120KW。

數(shù)據(jù)中心激增的不僅是用電規(guī)模，還對(duì)實(shí)時(shí)電力平衡，即電網(wǎng)安全產(chǎn)生了重大風(fēng)險(xiǎn)。丁肇豪表示，許多新的數(shù)據(jù)中心規(guī)劃已經(jīng)達(dá)到或超過(guò)百兆瓦，高峰時(shí)期的用電量相當(dāng)于一個(gè)小城市。大AI模型訓(xùn)練時(shí)可能會(huì)因?yàn)楦鞣N原因暫停多次，而每次暫停都可能導(dǎo)致瞬間百兆瓦級(jí)別的電力負(fù)荷波動(dòng)。在配電網(wǎng)層面上，這種波動(dòng)是前所未有的，以前電網(wǎng)并沒(méi)有足夠的能力來(lái)應(yīng)對(duì)這種問(wèn)題，這是一個(gè)全新的挑戰(zhàn)。

丁肇豪還舉例說(shuō)，超大數(shù)據(jù)中心可能不具備電壓/頻率的穿越能力，在電網(wǎng)出故障時(shí)不僅不能支撐電網(wǎng)，反而可能給電網(wǎng)造成更大的問(wèn)題。

AI產(chǎn)業(yè)用能包括硬件生產(chǎn)、模型訓(xùn)練、推理（暨日常運(yùn)行）各個(gè)階段。目前，耗能最高的是訓(xùn)練階段，推理階段耗能相對(duì)較低，硬件生產(chǎn)階段耗能最低。未來(lái)，隨著AI大模型的成熟，以及應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，推理階段用能占比將更大。

AI大模型訓(xùn)練耗能主要源于海量的計(jì)算，數(shù)千億個(gè)參數(shù)在數(shù)萬(wàn)億個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)上訓(xùn)練，瞬時(shí)可能就包含超過(guò)1萬(wàn)億次的計(jì)算。據(jù)IEA估計(jì)，GPT-4大模型的訓(xùn)練時(shí)間約為14周，能量需求約為42.4吉瓦時(shí)（GWh），即每天訓(xùn)練約0.43吉瓦時(shí)。這相當(dāng)于發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體約2.85萬(wàn)戶家庭或新興市場(chǎng)和發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體約7.05萬(wàn)戶家庭的每日用電量。

在推理階段，據(jù)IEA測(cè)算，使用小型語(yǔ)言模型生成文本大約需要用電0.3Wh。使用中型語(yǔ)言模型大約需要5Wh。圖像生成每個(gè)任務(wù)大約需要1.7Wh。視頻生成的能耗要高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，大約需要115Wh才能生成一個(gè)短的、質(zhì)量相對(duì)較低的視頻（長(zhǎng)度為6秒，每秒8幀）。與此相比，給手機(jī)或筆記本電腦充電分別需要大約15Wh和60Wh。

中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所副所長(zhǎng)陳云霽在《知識(shí)分子·科學(xué)四十人》座談上表示，資金雄厚的互聯(lián)網(wǎng)公司可能也付不起AI的巨額電費(fèi)，目前，無(wú)論是互聯(lián)網(wǎng)公司還是大模型創(chuàng)業(yè)公司，還沒(méi)有真正考慮如何盈利。他們現(xiàn)在的重點(diǎn)不是考慮成本問(wèn)題，包括電力成本。但當(dāng)他們開(kāi)始真正思考如何掙錢，AI的算力消耗和電力成本就是他們必須面對(duì)和解決的問(wèn)題。

全球各大AI公司能耗差異較大。據(jù)彭博新能源財(cái)經(jīng)統(tǒng)計(jì)，馬斯克旗下的Grolk-3大模型單次訓(xùn)練的功耗為154MW，Meta公司旗下的Llama3.1大模型單次訓(xùn)練功耗為25.3MW。OpenAI旗下GPT-3、蘋果公司旗下AFM-server和中國(guó)的DeepSeek-V3的這項(xiàng)數(shù)值分別為5.6MW、3.5MW和3.2MW。

彭博新能源財(cái)經(jīng)智能出行分析師呂京弘對(duì)《財(cái)經(jīng)》記者表示，參數(shù)數(shù)量、訓(xùn)練數(shù)據(jù)集規(guī)模是各模型訓(xùn)練功耗差別較大的原因之一。Grok-3訓(xùn)練時(shí)設(shè)計(jì)的參數(shù)規(guī)模遠(yuǎn)高于其他大模型，所以其耗能遠(yuǎn)超其他大模型。

中美電力系統(tǒng)誰(shuí)占領(lǐng)先機(jī)？

AI及其背后的數(shù)據(jù)中心正在成為能源系統(tǒng)的主要參與者。對(duì)美國(guó)和中國(guó)這兩個(gè)AI大國(guó)來(lái)說(shuō)，電力系統(tǒng)的提前布局，影響著AI產(chǎn)業(yè)以及數(shù)字化經(jīng)濟(jì)的未來(lái)。

據(jù)IEA統(tǒng)計(jì)，全球數(shù)據(jù)中心用電量增速?gòu)?005年至2015年的每年3%，提高到了2015年至2024年的每年10%。在美國(guó)，2015年至2024年間，數(shù)據(jù)中心的用電量每年增長(zhǎng)約12%。2024年，美國(guó)數(shù)據(jù)中心的用電量約為180TWh（1800億度），占美國(guó)所有來(lái)源用電量的4%以上。

中國(guó)信通院信息化與工業(yè)化融合研究所總工程師黃偉今年3月在中電聯(lián)的會(huì)議上介紹，2023年，中國(guó)算力中心耗電量約為1500億千瓦時(shí)，同比增長(zhǎng)15.4%，約占全社會(huì)用電量的1.6%。

另?yè)?jù)中國(guó)信通院云計(jì)算與大數(shù)據(jù)研究所有關(guān)專家發(fā)表的《算力協(xié)同發(fā)展內(nèi)涵與關(guān)鍵舉措研究》一文中測(cè)算，2030年，在高、中、低不同情景預(yù)測(cè)下，中國(guó)算力中心用電預(yù)計(jì)將分別超過(guò)7000億千瓦時(shí)、4000億千瓦時(shí)和3000億千瓦時(shí)，占全社會(huì)用電量的比例分別為5.3%、3%和2.3%，其全社會(huì)用電量占比不大，但快速增長(zhǎng)趨勢(shì)不容忽視。

中美數(shù)據(jù)中心用電需求增長(zhǎng)未來(lái)將顯著高于其他地區(qū)。IEA報(bào)告稱，與2024年相比，到2030年，美國(guó)數(shù)據(jù)中心用電量將增長(zhǎng)約240TWh（增長(zhǎng)130%）；中國(guó)數(shù)據(jù)中心用電量將增長(zhǎng)約175TWh（增長(zhǎng)170%）。歐洲和日本的該數(shù)據(jù)分別為45TWh（增長(zhǎng)70%）和15TWh（增長(zhǎng)80%）。

美國(guó)信息通信技術(shù)投資占國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的比例達(dá)到了近30年來(lái)的最高水平，AI的發(fā)展還將繼續(xù)推高這一數(shù)值。而美國(guó)持續(xù)數(shù)年電力消費(fèi)緩慢增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)正在被AI改變。

對(duì)美國(guó)來(lái)說(shuō)，最大的挑戰(zhàn)是如何將電力系統(tǒng)從近幾十年的增長(zhǎng)基本停滯狀態(tài)，調(diào)整到應(yīng)對(duì)電力需求快速增長(zhǎng)狀態(tài)。

目前是美國(guó)數(shù)據(jù)中心最大的電力來(lái)源是天然氣發(fā)電，占比超過(guò)40%；其次是以太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)電為主的可再生能源，占比為24%；核能和燃煤發(fā)電分別占比接近15%和20%左右。美國(guó)電力公司計(jì)劃建造更多的燃?xì)獍l(fā)電廠，其中一些是為了支持?jǐn)?shù)據(jù)中心負(fù)載的增加。

曾擔(dān)任多位美國(guó)前總統(tǒng)能源顧問(wèn)、標(biāo)普全球副主席丹尼爾·耶金2024年12月在北京參加國(guó)際能源發(fā)展高峰論壇時(shí)表示，數(shù)據(jù)中心很快將會(huì)消費(fèi)美國(guó)電力總需求的10%，現(xiàn)在美國(guó)電力系統(tǒng)還沒(méi)有準(zhǔn)備好應(yīng)對(duì)這樣的未來(lái)。

據(jù)彭博新能源財(cái)經(jīng)測(cè)算，在美國(guó)，部署一個(gè)數(shù)據(jù)中心從承諾階段到全面運(yùn)行完成需要7年時(shí)間，其中開(kāi)建前需要4.8年，建設(shè)需要2.4年。處于“承諾階段”的數(shù)據(jù)中心是指已獲得關(guān)鍵開(kāi)發(fā)要素（土地、電力或政府許可）的項(xiàng)目。

數(shù)據(jù)中心之所以成為美國(guó)具有獨(dú)特影響力的需求類別，主要是因?yàn)槠溆缮贁?shù)幾家資金實(shí)力雄厚的綜合性公司主導(dǎo)。彭博新能源財(cái)經(jīng)發(fā)布的報(bào)告稱，資本集中使數(shù)據(jù)中心能夠迅速擴(kuò)張，并對(duì)能源基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃和投資產(chǎn)生重大影響，從而使該行業(yè)成為未來(lái)十年塑造美國(guó)電力市場(chǎng)格局中最具決定性的單一力量。目前，Amazon Web Services（AWS）、谷歌、Meta和微軟四家公司控制著美國(guó)數(shù)據(jù)中心43%的容量。

對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)，最大的挑戰(zhàn)是：在提高可再生能源發(fā)電占比、降低煤電占比的同時(shí)，如何為數(shù)據(jù)中心提供穩(wěn)定、廉價(jià)的低碳電力。

IEA報(bào)告稱，在中國(guó)，數(shù)據(jù)中心大多位于東部，電力供應(yīng)以煤炭為主，約占70%，其次是可再生能源，占近20%，核能接近10%，天然氣占其余部分。未來(lái)，可再生能源在電力結(jié)構(gòu)中的份額將不斷上升，可再生能源豐富的中國(guó)西部將優(yōu)先建設(shè)數(shù)據(jù)中心。

呂京弘表示，中國(guó)在設(shè)立東數(shù)西算八大樞紐數(shù)據(jù)中心時(shí)，已經(jīng)將各地可再生能源和自然條件考慮進(jìn)去。比如，甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古都是年均氣溫比較低的地區(qū)，并且擁有充沛的風(fēng)電和光伏，可以為AI大模型的訓(xùn)練提供綠色電力。

黃偉介紹，中國(guó)算力電力融合發(fā)展面臨資源分布不均、技術(shù)協(xié)同不足、基礎(chǔ)設(shè)施掣肘、協(xié)同機(jī)制割裂等問(wèn)題。中國(guó)算力資源集中在東部，但電力自給率不足40%，綠電資源不足，西部地區(qū)擁有70%以上的可再生能源裝機(jī)，電力資源未能充分利用，現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)難以支撐全天候綠電供應(yīng)。

技術(shù)協(xié)同上，光伏、風(fēng)電具有隨機(jī)性、間歇性和波動(dòng)性，難以滿足數(shù)據(jù)中心對(duì)電力穩(wěn)定的高要求，調(diào)度機(jī)制上，傳統(tǒng)電網(wǎng)調(diào)度周期為15分鐘級(jí)，而AI算力負(fù)載可在秒級(jí)波動(dòng)。

他表示，微觀來(lái)看，液冷技術(shù)是降低數(shù)據(jù)中心PUE（電能使用效率，數(shù)值越低效率越高）的有效路徑，中觀來(lái)看，綠電直供、綠電交易和儲(chǔ)能有助于提高算力設(shè)施綠色水平。

宏觀來(lái)看，要加強(qiáng)算力和電網(wǎng)資源協(xié)同調(diào)。通俗來(lái)講，對(duì)時(shí)延要求不高的計(jì)算需求可以從東部遷到西部，模型訓(xùn)練等高性能的算力需求放在電力需求波谷時(shí)段，通過(guò)空間調(diào)度、時(shí)間調(diào)度實(shí)現(xiàn)提升能源效率、算力設(shè)施利用效率。

中美不同的資源稟賦和經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式使得兩國(guó)為數(shù)據(jù)中心、AI鋪墊了不同的電力保障路徑。但有一個(gè)共同點(diǎn)是，兩國(guó)都將小型核電堆列為數(shù)據(jù)中心的遠(yuǎn)期能源供應(yīng)。IEA預(yù)計(jì)，2030年后，中國(guó)將顯著提高核能在數(shù)據(jù)中心電力結(jié)構(gòu)中的份額。

微軟、OpenAI、Google、Meta等美國(guó)科技公司在近一年里紛紛投資或購(gòu)買核電站，以滿足未來(lái)的AI數(shù)據(jù)中心用電需求。例如，2024年9月，微軟與星座能源公司簽署了史上最大的購(gòu)電協(xié)議，后者將在未來(lái)20年購(gòu)買三哩島核電站生產(chǎn)的所有電力。這是美國(guó)歷史上首次由單一用戶包攬單個(gè)商業(yè)核電站的全部發(fā)電量。

能源基金會(huì)清潔電力項(xiàng)目主任張永平對(duì)《財(cái)經(jīng)》記者表示，數(shù)據(jù)中心用電需求量大，且需要持續(xù)穩(wěn)定的供應(yīng)，這與核電，尤其是中小型、模塊化核電的供電特性非常匹配。