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龙海喝茶新茶老班章快餐外卖推荐,人工智能与能源约束的矛盾能否化解,发展,技术,全球
2024-06-10 16:56:58
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人工智能(neng)技(ji)术(shu)在台(tai)前展示的(de)是比特世界的(de)算力、算法和数据,但(dan)其“轻盈的(de)灵(ling)魂”背后则是土地、能(neng)源和水等物理世界“沉重的(de)肉身”。根据本文三种情(qing)境的(de)模拟测算,未来人工智能(neng)发展需要可持续的(de)巨量能(neng)源支撑,能(neng)源转型速度在很大程度决定人工智能(neng)的(de)走(zou)向。人工智能(neng)与能(neng)源约束之间的(de)矛(mao)盾能(neng)否化解,取决于两场“竞赛”的(de)结果:一(yi)方面(mian),人工智能(neng)算力能(neng)效的(de)提升速度能(neng)否超越应用(yong)场景的(de)扩散速度;另一(yi)方面(mian),能(neng)源转型速度能(neng)否超越人工智能(neng)用(yong)电增长速度。

一(yi)、人工智能(neng)快速发展会挤占全球发展资源吗?

以OpenAI推出ChatGPT为标志,人工智能(neng)进入快速发展的(de)轨道。当前,生成式人工智能(neng)正实现着从文本世界、多媒体(ti)世界再到物理世界的(de)技(ji)术(shu)三级跳。在逐步理解和处理文本、图像、声音、视频等多模态信息之后,人工智能(neng)还通过(guo)物联网和具身机器人连接物理设备,感知真实环境参数,实现智能(neng)决策和自主处理复杂指令。随着技(ji)术(shu)更新迭(die)代,人工智能(neng)的(de)应用(yong)场景也在不断拓宽(kuan)。比如,人工智能(neng)有望打破生物医药的(de)“双十(shi)困(kun)境”(即(ji)一(yi)款新药研发至少需要投入10亿美元和耗费10年研发周期(qi))。再如,人工智能(neng)技(ji)术(shu)提高了发现和合成新无机化合物的(de)速度和精确性,加快了新材料的(de)问世。

人工智能(neng)并(bing)非天使,其快速发展也引发人们对其潜在负面(mian)影响的(de)讨论。比如,机器换人带来失业和不平等加剧(ju),技(ji)术(shu)垄断造(zao)成消费者福利和社会利益损害,没有与人类价值观“对齐”带来犯罪和恐怖主义风险等。技(ji)术(shu)中性论认为,技(ji)术(shu)本身无所谓善恶,技(ji)术(shu)所产(chan)生的(de)影响取决于技(ji)术(shu)使用(yong)者。有鉴于此,一(yi)些科技(ji)界和企业界的(de)个人或机构发布公开(kai)信,呼吁(yu)加强人工智能(neng)治理以避免出现对人类发展不可逆的(de)风险。上述讨论已引发诸多研究,而本文的(de)着眼点在于人工智能(neng)对发展要素尤(you)其是电力能(neng)源的(de)占用(yong)。

人工智能(neng)技(ji)术(shu)在台(tai)前展示的(de)是比特世界的(de)算力、算法、数据,但(dan)其“轻盈的(de)灵(ling)魂”背后则是土地、能(neng)源、水等物理世界“沉重的(de)肉身”。

算力的(de)尽头(tou)是电力。据国际能(neng)源署(shu)数据,2022年美国共有约2700个数据中心,电力消耗占全国总量的(de)4%左右,到2026年这一(yi)比例将达到6%。芯(xin)片(pian)设计(ji)公司Arm的(de)首席执行官Rene Haas则表示,如果不提高芯(xin)片(pian)的(de)效率,到2030年数据中心的(de)耗电量可能(neng)高达美国电力需求的(de)20%到25%。

此外,人工智能(neng)的(de)快速发展还需要大量的(de)水、土地、劳动力和资金要素的(de)支持。比如,人工智能(neng)的(de)耗水主要体(ti)现为冷却、发电用(yong)水、生产(chan)芯(xin)片(pian)用(yong)水等。

由(you)于全球发展资源有限,当一(yi)项新技(ji)术(shu)突破带来新产(chan)业热潮(chao)时,虽然其在长期(qi)可能(neng)有利于人类福祉,但(dan)在初期(qi)会挤占其他领域的(de)发展资源。当前,跨国公司成为全球要素和资源配置的(de)重要主体(ti),尽管科技(ji)向善在国际科技(ji)企业的(de)社会责(ze)任报告中有所体(ti)现,但(dan)资本的(de)配置导向并(bing)不全然是人类福利的(de)最(zui)大化。由(you)于目(mu)前人工智能(neng)产(chan)业的(de)高利润,资本的(de)力量推动各(ge)类资源向人工智能(neng)领域集聚形成热潮(chao)和泡沫,有可能(neng)影响对人类更有当期(qi)价值的(de)其他产(chan)业的(de)发展。

作为一(yi)项能(neng)加速人类发展进程的(de)潜在通用(yong)目(mu)的(de)技(ji)术(shu),人工智能(neng)的(de)发展在长期(qi)具有正外部性。但(dan)在近中期(qi),人工智能(neng)发展的(de)收益并(bing)不会均匀(yun)地分(fen)配给全球各(ge)国和各(ge)收入群体(ti),受益者主要是互联网企业和风险投资者,而隐性成本的(de)承担者主要是发展中国家和低收入群体(ti)。在全球发展仍然面(mian)临粮食安(an)全、能(neng)源安(an)全和水资源安(an)全等问题时,这种负外部性尤(you)为明显:根据联合国相关数据,当前全世界有24亿人无法持续获得(de)食物,有6.75亿人无法用(yong)上电,23亿人无法获得(de)清洁烹饪燃料和技(ji)术(shu),四分(fen)之一(yi)人口面(mian)临“极(ji)高”的(de)水资源短缺压(ya)力。

二、人工智能(neng)发展需要可持续的(de)巨量能(neng)源支撑

提升能(neng)量密度的(de)努力贯穿人类发展史。煤炭的(de)广泛使用(yong)推动了蒸汽机和铁路的(de)发展,极(ji)大地提高生产(chan)效率和运(yun)输能(neng)力,是工业化的(de)加速器。石油为内(nei)燃机提供动力,推动汽车、飞机等交通工具的(de)普及,加快了城市化和全球化进程。电网的(de)出现让高密度能(neng)量跨越地理限制,促进生产(chan)在更广阔地域分(fen)布和集聚,是产(chan)业分(fen)工、产(chan)业内(nei)分(fen)工、产(chan)业链分(fen)工拾级而上的(de)基(ji)础。每一(yi)次产(chan)业变革背后都有能(neng)源革命的(de)驱(qu)动力量,并(bing)伴随着生产(chan)组织模式变革和社会体(ti)制变革。

人工智能(neng)发展产(chan)生大规模电力需求。据SemiAnalysis数据,2023年一(yi)季度以来,全球人工智能(neng)计(ji)算能(neng)力一(yi)直以50%-60%的(de)季度环比增速快速提升。人工智能(neng)对电力的(de)需求主要来自于数据中心。据国际能(neng)源署(shu)(IEA)数据,2023年全球数据中心消耗约460太瓦时的(de)电量,相当于德(de)国(484太瓦时)全年的(de)全社会用(yong)电量。数据中心电力需求的(de)主要来源是服务(wu)器、存储设备、通信设备等IT设备,以及照明、空调、冷却系统等配套(tao)设施。数据中心标准组织Uptime Institute的(de)研究表明,2022年全球大型数据中心的(de)平均能(neng)效比(PUE)约为1.55,即(ji)数据中心的(de)IT设备每消耗1度电,其配套(tao)设施消耗0.55度电。

生成式人工智能(neng)的(de)能(neng)耗分(fen)为训(xun)练和推理两个环节。每一(yi)轮训(xun)练任务(wu)持续数周至数月,而且(qie)相比普通数据处理具有更高的(de)能(neng)耗强度。传统服务(wu)器的(de)典(dian)型功(gong)耗约为1千瓦,但(dan)每台(tai)人工智能(neng)服务(wu)器的(de)功(gong)耗现在已达数十(shi)千瓦。当前,人工智能(neng)还远未达到规模法则(Scaling Law)的(de)顶峰,增加模型参数和训(xun)练数据量仍然是提升人工智能(neng)模型性能(neng)的(de)主要路径。参数数量、数据规模和计(ji)算资源几何级数的(de)上升,需要配之以更大规模的(de)电力。斯坦福大学的(de)一(yi)项研究显示,完成GPT-3训(xun)练的(de)耗电量为128.7万度,而完成GPT-4训(xun)练的(de)能(neng)耗是GPT-3的(de)40倍以上,需要5177万至6232万度电。

未来人工智能(neng)推理阶段的(de)用(yong)电总量比训(xun)练阶段高得(de)多。不同(tong)于训(xun)练阶段,推理任务(wu)的(de)需求和算力在地理分(fen)布上相对分(fen)散,单位时间的(de)能(neng)耗强度低于训(xun)练阶段。但(dan)随着应用(yong)场景的(de)快速扩张,未来推理阶段的(de)用(yong)电量将大幅攀升。目(mu)前,人工智能(neng)的(de)输入输出还主要是互联网的(de)数字世界。当人工智能(neng)的(de)触角借助各(ge)类传感器进入物理世界后,所需要处理的(de)数据量将出现跃升。根据市场调研机构Omdia估计(ji),到2023年底,全球物联网设备安(an)装量接近380亿台(tai),每天产(chan)生约10亿GB的(de)数据,这一(yi)规模可能(neng)还达不到全球物理设备的(de)百万分(fen)之一(yi)。每一(yi)个生物体(ti)也是一(yi)个小宇(yu)宙(zhou),随着可穿戴设备和与之相关的(de)智能(neng)健康(kang)行业的(de)发展,未来对生物信息的(de)数据处理规模将提高到更高的(de)量级,同(tong)时也意味着对电力需求的(de)几何级数增长。

从动态来看,芯(xin)片(pian)技(ji)术(shu)创(chuang)新和算法优化将不断提高人工智能(neng)在训(xun)练和推理时的(de)用(yong)能(neng)效率,但(dan)这也将拓宽(kuan)人工智能(neng)的(de)应用(yong)场景并(bing)提升模型复杂度,推动算力需求的(de)更快增长,不断增加总体(ti)用(yong)电压(ya)力。这一(yi)预判符合历史上屡屡出现的(de)“杰文斯悖论”,即(ji)资源使用(yong)效率提高将刺激需求增长,最(zui)终提高总消耗量。

主权AI模式带来的(de)重复训(xun)练和应用(yong)将进一(yi)步增加全球能(neng)耗。基(ji)于安(an)全和效率的(de)平衡,全球人工智能(neng)建设会保持一(yi)定的(de)冗余。在联合国发布的(de)《以人为本的(de)人工智能(neng)治理》报告中,鼓励(li)各(ge)国构建本土人工智能(neng)生态系统和适应本地需求的(de)模型,促进人工智能(neng)初创(chuang)企业在更多国家和地区进行测试和部署(shu),以确保利益相关方和各(ge)国之间的(de)资源平等获取和隐私数据保护。因此,各(ge)地区相应的(de)基(ji)础设施建设、人工智能(neng)模型训(xun)练与推理会带来全球能(neng)源需求的(de)额外增长。

为获取数量级意义上的(de)预测结果,本文采用(yong)三种方法,对人工智能(neng)电力需求增长进行情(qing)境模拟。

1、基(ji)于芯(xin)片(pian)现实供给能(neng)力的(de)模拟。AI芯(xin)片(pian)是人工智能(neng)产(chan)业的(de)核心硬件,也是能(neng)源消耗主体(ti),依据GPU产(chan)量和功(gong)耗可大致估算人工智能(neng)产(chan)业的(de)电力需求。我们假(jia)设英伟达H100将成为未来一(yi)段时间内(nei)GPU的(de)主流产(chan)品,以其功(gong)耗作为平均数。根据美国银行数据计(ji)算,2023年全球人工智能(neng)数据中心用(yong)电量约为43.8太瓦时。根据英国金融时报报道,2024年H100出货量预计(ji)达到150-200万块,其峰值功(gong)耗为700瓦。按英伟达95%的(de)GPU市场份额,估算2024年智能(neng)芯(xin)片(pian)出货量约为158-210万块。根据TrendForce的(de)预测,到2030年GPU产(chan)量年均增速26.1%,同(tong)时考虑冷却用(yong)电约为服务(wu)器功(gong)耗的(de)50%,可得(de)2030年全球人工智能(neng)用(yong)电量将达到195-245太瓦时。

2、基(ji)于信息产(chan)业人工智能(neng)化的(de)模拟。信息通信业是人工智能(neng)渗透(tou)速度最(zui)快、应用(yong)范围最(zui)广的(de)产(chan)业。Erol Gelenbe(2023)估算出全球ICT行业用(yong)电量占总用(yong)电量4.3%。根据国际能(neng)源署(shu)数据,2023年全球总用(yong)电量约为2.8万太瓦时,假(jia)设年增长率为3.4%,到2030年全球用(yong)电量将达到3.5万太瓦时。由(you)此估算2030年全球信息行业用(yong)电量约为1505太瓦时。根据Alex de Vries(2023)和SemiAnalysis的(de)评估,一(yi)个标准的(de)谷歌(ge)搜索使用(yong)0.3瓦时的(de)电力,而ChatGPT响应一(yi)个标准请求的(de)耗电约为2.9瓦时。由(you)此可认为,人工智能(neng)化的(de)信息服务(wu)用(yong)电量是普通信息服务(wu)的(de)9.67倍。由(you)此可知,2030年信息产(chan)业智能(neng)化后的(de)用(yong)电量为1.46万太瓦时,占2023年全球用(yong)电量的(de)42%。

3、基(ji)于人类生产(chan)生活活动人工智能(neng)化的(de)模拟。作为一(yi)项潜在的(de)通用(yong)目(mu)的(de)技(ji)术(shu),人工智能(neng)会影响到各(ge)领域的(de)运(yun)行方式,从而提高各(ge)领域生产(chan)、流通和消费行为的(de)用(yong)电量。埃森哲(2023)基(ji)于美国就业水平,估计(ji)各(ge)行业可被人工智能(neng)化的(de)占比均值为31%。如果这部分(fen)可被人工智能(neng)替代的(de)生产(chan)、流通和消费行为实现人工智能(neng)化,即(ji)使人类的(de)生产(chan)生活规模停(ting)留在2023年的(de)水平,未来人类全部活动的(de)用(yong)电量也将达8.3万太瓦时,约为2023年全球用(yong)电量的(de)3倍,远远超出全球电力供应的(de)增长能(neng)力。

图1 未来全球人工智能(neng)用(yong)电量预测

数据来源:IEA、美国银行、埃森哲、Vries等研究与笔者计(ji)算

需要指出的(de)是,以上三类预测方法基(ji)于人工智能(neng)和能(neng)源技(ji)术(shu)不变的(de)假(jia)定,并(bing)不追求具体(ti)数据的(de)准确性。特别是后两种预测方法,更多是为了呈现人工智能(neng)的(de)电力需求跃升后可能(neng)达到的(de)量级。事实上,如果能(neng)源技(ji)术(shu)进步跟不上人工智能(neng)的(de)发展,第二种预测情(qing)境要以挤占人类其他领域发展资源为代价,而第三种预测情(qing)境根本就不可能(neng)发生。

三、能(neng)源转型速度决定人工智能(neng)发展进程

传统化石能(neng)源储量无法支撑人工智能(neng)的(de)后续发展。由(you)于对自然资源矿产(chan)储量上限的(de)评估不同(tong),已有研究对地球上传统化石能(neng)源的(de)可持续利用(yong)时间有较大的(de)分(fen)歧,大致在50-150年之间。不过(guo),已有的(de)这些研究尚(shang)未将人工智能(neng)的(de)普遍应用(yong)作为未来的(de)分(fen)析情(qing)境。如前一(yi)部分(fen)第三种模拟情(qing)境,当人工智能(neng)充分(fen)渗透(tou)到各(ge)领域之后,所需电力仍将远超出目(mu)前人类所有活动总用(yong)电量,这将极(ji)大透(tou)支地球上的(de)可用(yong)化石能(neng)源储量。因此,仅依赖传统能(neng)源,人工智能(neng)可以成为社交媒体(ti)分(fen)享的(de)流量,但(dan)无法成为改(gai)变世界发展的(de)通用(yong)目(mu)的(de)技(ji)术(shu)。

传统能(neng)源驱(qu)动的(de)人工智能(neng)也不具排放意义上的(de)可行性。从全球电力供给端看,碳排放强度较高的(de)化石能(neng)源占比仍超过(guo)60%。在David Patterson等2021年发表的(de)论文《碳排放和大型神经网络训(xun)练》中,根据人工智能(neng)数据中心所在地区电网的(de)碳强度,估算出GPT-3训(xun)练产(chan)生588.9吨二氧化碳当量,相当于128辆乘(cheng)用(yong)车年排放量,尚(shang)处于可接受范围。但(dan)后续更大模型将使得(de)碳排放量指数级上升。GPT-4的(de)模型参数约为1.8兆,并(bing)在13兆令牌(Tokens)上进行训(xun)练。而GPT-3的(de)模型参数只有0.175兆,模型令牌规模在0.78-5兆之间。即(ji)将面(mian)世的(de)GPT-5的(de)参数规模或将达到数百兆,这意味着,如果数据中心供电结构不变,正在研发的(de)GPT-5训(xun)练的(de)碳排放可能(neng)接十(shi)万量级的(de)燃油车排放规模。

采用(yong)清洁能(neng)源为人工智能(neng)发展并(bing)非坦途。风电、光电等新能(neng)源具有间歇(xie)性、波(bo)动性和季节性,而人工智能(neng)则需要连续、稳定的(de)电力供给。在现有技(ji)术(shu)条件下(xia),两者之间的(de)矛(mao)盾尚(shang)未有高性价比的(de)能(neng)源解决方案可以调和。一(yi)些人工智能(neng)企业计(ji)划采用(yong)清洁能(neng)源自供电的(de)方式,但(dan)目(mu)前还未能(neng)跨越储能(neng)技(ji)术(shu)成熟度和高成本的(de)障(zhang)碍,而试图采用(yong)核能(neng)技(ji)术(shu)的(de)方案也不容易(yi)通过(guo)各(ge)国监管部门的(de)审批。更为现实的(de)方案,仍是依靠全国性或区域性电网为人工智能(neng)产(chan)业提供稳定电力。

全球电网吸纳新能(neng)源的(de)扩容速度没有跟上人工智能(neng)发展步伐(fa)。在接入风光电等新能(neng)源过(guo)程中,电网局部承载能(neng)力、通道输送能(neng)力和系统调节能(neng)力均面(mian)临挑(tiao)战,必须对输配电网进行大规模扩建和升级。根据IEA《电网与保障(zhang)能(neng)源转型》报告,虽然可再生能(neng)源的(de)年投资规模自2010年以来几乎翻了一(yi)番,但(dan)近十(shi)年来全球电网年投资额却仍保持在十(shi)年前的(de)3000亿美元水平。2022年,全球至少有30亿千瓦的(de)可再生能(neng)源发电项目(mu)正在排队等待(dai)并(bing)网,相当于当年光伏和风力发电新增装机容量的(de)五倍。除了技(ji)术(shu)层面(mian)的(de)原因,全球电网扩容还面(mian)临电力设备供应链紧张和资金投入增长缓慢(man)等问题。

传统产(chan)业电气(qi)化的(de)刚(gang)性需求与人工智能(neng)电力需求将产(chan)生竞争。2023年全球电力在最(zui)终能(neng)源消费中的(de)份额仅是20%左右,传统产(chan)业电气(qi)化是全球减排的(de)重要路径。为实现低碳转型目(mu)标,工业部门引导高碳排放行业实施电气(qi)化设备技(ji)术(shu)改(gai)造(zao),交通部门推广电动化、燃料电池和新型电力基(ji)建,建筑部门运(yun)用(yong)电气(qi)设备解决日常用(yong)能(neng)需求。随着全球各(ge)产(chan)业部门电气(qi)化提速,预计(ji)到2030年电力在最(zui)终能(neng)源消费中的(de)份额将接近30%。但(dan)过(guo)去十(shi)年全球发电量的(de)年均增速维持在1.0-4.1%之间,很难(nan)同(tong)时支持传统产(chan)业电气(qi)化和人工智能(neng)电力需求的(de)快速增长。

在用(yong)能(neng)竞争导致电价上涨的(de)情(qing)况下(xia),人工智能(neng)产(chan)业还会对一(yi)些国家的(de)能(neng)源密集型产(chan)业和居民生活产(chan)生负面(mian)影响。2021-2022年间批发电价上涨之后,欧洲(zhou)工业面(mian)临更高的(de)能(neng)源成本,金属冶炼和化工等能(neng)源密集型产(chan)业的(de)竞争力下(xia)降,出现了外迁的(de)趋(qu)势。如果未来人工智能(neng)发展导致电力供需再度紧张,在电价上升的(de)情(qing)况下(xia),人工智能(neng)企业能(neng)以价高者得(de)的(de)优势保证(zheng)业务(wu)运(yun)行,其他电价敏感行业的(de)竞争力将受到削弱,居民用(yong)电成本也面(mian)临上升压(ya)力。

四、两条赛道:人工智能(neng)和能(neng)源转型的(de)创(chuang)新竞合

在技(ji)术(shu)条件不变的(de)假(jia)设下(xia),人工智能(neng)短期(qi)内(nei)确实会挤占全球发展其他领域的(de)能(neng)源需求。但(dan)通过(guo)技(ji)术(shu)创(chuang)新解除既有条件束缚,一(yi)直是人类文明向前发展的(de)主要路径。人工智能(neng)和能(neng)源约束之间的(de)矛(mao)盾能(neng)否化解,取决于两场“竞赛”的(de)结果。一(yi)方面(mian),人工智能(neng)算力能(neng)效的(de)提升速度能(neng)否超越应用(yong)场景的(de)扩散速度,是破解前文所述“杰文斯悖论”的(de)关键。另一(yi)条赛道则是能(neng)源转型的(de)速度能(neng)否超越人工智能(neng)用(yong)电需求增长速度。如果不能(neng)在两场“竞赛”中至少取得(de)一(yi)胜,人类就不得(de)不在原子世界和比特世界之间作出两难(nan)取舍。

(一(yi))人工智能(neng)的(de)能(neng)耗强度赛道

芯(xin)片(pian)与服务(wu)器设计(ji)的(de)优化。英伟达2024年发布的(de)Blackwell系统可以训(xun)练比ChatGPT更大的(de)模型,所用(yong)的(de)电力大约是现有最(zui)佳处理器的(de)四分(fen)之一(yi)。2023年Mohamad Hnayno的(de)研究表明,采用(yong)高效率冷却系统有潜力将数据中心的(de)电力需求减少10%,而液冷技(ji)术(shu)可减少20%。

需求响应的(de)智能(neng)分(fen)散化。人工智能(neng)数据中心脱碳努力的(de)另一(yi)条路线,是将人工智能(neng)训(xun)练等具有时空灵(ling)活性的(de)工作任务(wu)转移至碳强度较低地区。同(tong)时,边缘计(ji)算和分(fen)布式人工智能(neng)处理方式,也能(neng)减少对长距离数据传输的(de)能(neng)源消耗。

量子计(ji)算。量子计(ji)算具有高容量信息存储和高速并(bing)行化计(ji)算的(de)特征,运(yun)算的(de)能(neng)耗效率将远超经典(dian)的(de)计(ji)算模式。当下(xia)量子计(ji)算的(de)硬件技(ji)术(shu)路径还处于多路线试错中,超导、离子阱、光量子等方式各(ge)有优缺点,距实现大规模可容错通用(yong)量子计(ji)算还有较大距离。过(guo)去几年,量子计(ji)算公司与人工智能(neng)研究机构建立了众多合作关系,在资本的(de)推动下(xia),可纠错通用(yong)量子计(ji)算机的(de)研制时间表可能(neng)会提前。

(二)能(neng)源转型的(de)赛道

近中期(qi)看,储能(neng)技(ji)术(shu)是关键。储能(neng)是可再生能(neng)源跨时间配置的(de)一(yi)种方式,是人工智能(neng)数据中心就近消纳新能(neng)源的(de)基(ji)础设施,发展储能(neng)技(ji)术(shu)的(de)重要性不亚于新能(neng)源产(chan)业本身。抽水蓄能(neng)技(ji)术(shu)比较成熟,适用(yong)于高海拔山脉和山谷地形地区大规模、集中式的(de)能(neng)量储存和电网调峰,但(dan)也面(mian)临自然选址(zhi)局限性、能(neng)量密度低等不足,存在规模天花板。推动氢储能(neng)等新型储能(neng)技(ji)术(shu)的(de)多元化开(kai)发,提高储能(neng)的(de)能(neng)量密度、充放电效率和相应速度,是将新能(neng)源潜力释放到人工智能(neng)产(chan)业上的(de)关键。

中长期(qi)看,人工智能(neng)在新能(neng)源供需预测、电网运(yun)行和优化、能(neng)源需求管理以及新能(neng)源技(ji)术(shu)研发等领域将发挥(hui)重要作用(yong)。

人工智能(neng)加速电网智能(neng)化。在发电侧(ce),人工智能(neng)通过(guo)学习历史气(qi)象(xiang)数据、传感器数据、卫星云图等图像和视频数据,提升太阳能(neng)和风能(neng)设备发电量预测准确度。在电网侧(ce),人工智能(neng)有助于提升输电和配电能(neng)力,优化电网设计(ji)和规划,协助维护人员(yuan)保障(zhang)电网安(an)全稳定运(yun)行,如基(ji)于无人机拍摄的(de)视频识别异常设备。在用(yong)电侧(ce),人工智能(neng)可以帮助用(yong)户在电池供电、实地太阳能(neng)发电和电网供电之间择优进行切换,智能(neng)管理分(fen)布式可再生能(neng)源及相关设备。

人工智能(neng)推动可控(kong)核聚变技(ji)术(shu)研发。目(mu)前核能(neng)提供了全球约10%的(de)电力供应,但(dan)人工智能(neng)行业目(mu)前关注的(de)不是已成熟的(de)核裂变技(ji)术(shu),而是寄望于可控(kong)核聚变技(ji)术(shu)。可控(kong)核聚变的(de)原料来源更丰富,能(neng)量密度是核裂变的(de)4倍,且(qie)产(chan)生的(de)放射性废(fei)物更少。当前,人工智能(neng)技(ji)术(shu)正推动可控(kong)核聚变技(ji)术(shu)研发加速。例如,2024年普林斯顿团队通过(guo)训(xun)练神经网络,提前300毫(hao)秒预测了核聚变中的(de)等离子不稳定态。

五、展望与建议

作为一(yi)项潜在的(de)通用(yong)目(mu)的(de)技(ji)术(shu),人工智能(neng)是未来一(yi)国竞争力和国际话语权的(de)重要组成部分(fen),主要国家不仅在人工智能(neng)各(ge)技(ji)术(shu)领域布局,也注重地理意义上的(de)布局。虽然人工智能(neng)的(de)研发活动地较为集中,但(dan)由(you)于需要保持足够的(de)响应速度,其关键基(ji)础设施和应用(yong)场景要具备一(yi)定的(de)地理临近性。为了扩展全球业务(wu)版图,人工智能(neng)企业竞相在全球各(ge)地区建立算力中心。因此,人工智能(neng)算力中心在全球都有分(fen)布,需要各(ge)国的(de)能(neng)源、土地和水等资源提供物质(zhi)支撑。据SemiAnalysis报告,截至2023年初,85%的(de)全球自建超大规模数据中心容量属于谷歌(ge)、微软、亚马逊、Meta、苹果等五家美国科技(ji)企业。

图2 科技(ji)企业自建数据中心以电力估算的(de)算力容量

数据来源:SemiAnalysi

人工智能(neng)数据中心的(de)布局正在向发展中国家拓展。人工智能(neng)数据中心选址(zhi)的(de)主要条件有三方面(mian):稳定的(de)能(neng)源供给、适宜的(de)气(qi)候和高效的(de)网络连接。发达国家建设数据中心的(de)机会成本高,在环境审批和数据保护法律方面(mian)更加严格。如瑞典(dian)2023年取消了一(yi)项2017年制定的(de)数据中心税收优惠政(zheng)策,旨在将电力能(neng)源留给其他领域;冰岛2024年减少比特币(bi)和数据中心产(chan)业的(de)能(neng)源支出,将多余廉价电力用(yong)于农业,以保障(zhang)本国粮食安(an)全。相对而言,发展中国家的(de)数字产(chan)业及人工智能(neng)发展政(zheng)策更为积极(ji)。例如,2023年由(you)于乌拉圭(gui)遭受严重干旱,谷歌(ge)在乌拉圭(gui)新建人工智能(neng)数据中心的(de)计(ji)划受到争夺饮用(yong)供水的(de)质(zhi)疑,但(dan)最(zui)终仍获得(de)批准。根据IEA2024年发布的(de)电力分(fen)析与预测报告,目(mu)前全球有超过(guo)8000个数据中心,其中约33%位于美国,16%位于欧洲(zhou),超半数分(fen)布在亚洲(zhou)、拉美和非洲(zhou)等地区。

各(ge)国在为人工智能(neng)提供电力支持时各(ge)具优劣(lie)势。美国电价相对较低,平均工业电价为0.083美元/千瓦时。但(dan)在多年去工业化政(zheng)策下(xia),美国电网跨地区调配的(de)能(neng)力不足。欧洲(zhou)和日本虽然在人工智能(neng)上具有技(ji)术(shu)优势,但(dan)其能(neng)源成本较高,天然气(qi)占西欧和日本发电结构的(de)35%-45%且(qie)进口依赖较高,核电及煤电供应因安(an)全及环保原因下(xia)降压(ya)力较大。中东地区电价低,太阳能(neng)资源丰富,阿联酋等国在推动100%绿电驱(qu)动的(de)低碳数据中心建设,但(dan)目(mu)前还缺少本土人工智能(neng)企业。中国是新能(neng)源优势国家,能(neng)源成本较低,工业用(yong)电在全球有价格优势,且(qie)相对自给自足,但(dan)煤电比重仍有下(xia)调空间。

全球人工智能(neng)合作需与能(neng)源战略合作并(bing)轨。人工智能(neng)发展与能(neng)源转型是大势所趋(qu),世界各(ge)主要国家应携手开(kai)展全球人工智能(neng)治理与能(neng)源转型合作。据IEA估计(ji),到2040年前,全球需要新增或整修超过(guo)8000万公里的(de)电网线路,以支持风能(neng)和太阳能(neng)光伏发电的(de)增长。在这一(yi)过(guo)程中,各(ge)主要国家应共同(tong)建立更加高效的(de)全球电力设备供应链,降低新能(neng)源设备的(de)贸易(yi)壁垒,探索制定内(nei)部化负外部性的(de)全球人工智能(neng)用(yong)电价格标准,联合利用(yong)人工智能(neng)技(ji)术(shu)推动能(neng)源领域技(ji)术(shu)创(chuang)新。惟其如此,人工智能(neng)发展才能(neng)建立在更可持续的(de)能(neng)源基(ji)座之上,能(neng)源转型才能(neng)搭上人工智能(neng)的(de)翅(chi)膀(bang)而加快发展。

充分(fen)利用(yong)能(neng)源优势提高我国在全球人工智能(neng)领域的(de)竞争力。我国处于全球人工智能(neng)领域中较为靠前的(de)位置,但(dan)也面(mian)临一(yi)些关键技(ji)术(shu)的(de)制约。稳定、绿色和灵(ling)活的(de)大规模电力供应是我国在人工智能(neng)领域重要的(de)比较优势,要将该优势融入到人工智能(neng)发展中。

一(yi)是要围绕“算力+能(neng)源”开(kai)展统筹规划,推动算力网、通信网、电网等多网协同(tong)发展,实现智能(neng)算力与绿色能(neng)源的(de)优势叠加效应。

二是构建人工智能(neng)算力“西训(xun)(练)东推(理)”的(de)布局,充分(fen)化解算力资源与能(neng)源供需矛(mao)盾,提高对西部光伏、风电等新能(neng)源的(de)使用(yong)效能(neng)。

三是推动人工智能(neng)在能(neng)源转型创(chuang)新上的(de)应用(yong),提高电力系统互补互济和智能(neng)调节能(neng)力,加强源网荷储衔接,提升新能(neng)源消纳和存储能(neng)力,提升能(neng)源系统安(an)全保障(zhang)能(neng)力。

四是支持“一(yi)带一(yi)路”沿线“电力+算力”产(chan)业发展,形成电力交易(yi)、电力建设、电力设备贸易(yi)等合作模式,推动当地新能(neng)源电力设施与算力基(ji)础设施配套(tao)建设。

(作者卓贤系国务(wu)院发展研究中心发展战略和区域经济部副部长、研究员(yuan),肖娅晨系国家电网有限公司大数据中心分(fen)析师,范炘宜系北京(jing)大学国家发展研究院博(bo)士生。本文不代表作者所在机构的(de)观点。本文首发于《财经》杂志2024年第11期(qi)。本文原题为“人工智能(neng)与能(neng)源转型”)

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