在我們傳統(tǒng)觀念中，一提到“用電大戶”“用能大戶”，往往會(huì)想到鋼鐵廠、煉油廠等。確實(shí)，一個(gè)年產(chǎn)千萬噸級(jí)的鋼鐵廠，其功耗可達(dá)數(shù)百乃至上千兆瓦。但隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等新概念、新市場(chǎng)的出現(xiàn)，新的用電大戶出現(xiàn)在我們面前數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與計(jì)算設(shè)施。
超算中心、數(shù)據(jù)設(shè)施
將成為新的用電大戶
人工智能大模型的訓(xùn)練過程需要巨大的算力支持，這直接導(dǎo)致了大量的電力需求。例如，訓(xùn)練 OpenAI的GPT-3 模型耗電量約為 1.287 吉瓦時(shí)（1 吉瓦= 1,000 兆瓦），相當(dāng)于 120 個(gè)美國家庭一年的用電量。
根據(jù)國際能源署預(yù)測(cè)，2026 年全球數(shù)據(jù)中心、人工智能和加密貨幣行業(yè)的電力消耗可能會(huì)翻倍。各類數(shù)據(jù)中心的總用電量可能在 2026 年達(dá)到 1000 太瓦時(shí)（1 太瓦=1,000,000 兆瓦）以上，這大致相當(dāng)于日本的用電量。在我國，數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行能耗也是十分驚人的。目前，我國主流的機(jī)柜功率以 4-6kW 為主，6kW 及以上的機(jī)柜占比為 32%。我國目前擁有超過 3000 個(gè)機(jī)架，總功率 15 兆瓦的大型數(shù)據(jù)中心超過 300 個(gè)。華為、阿里等通信和互聯(lián)網(wǎng)巨頭的超大型數(shù)據(jù)中心機(jī)架數(shù)甚至超過 1 萬個(gè)，運(yùn)行能耗驚人。據(jù)《數(shù)據(jù)中心全生命周期綠色算力指數(shù)白皮書》預(yù)計(jì)，到 2030 年，我國數(shù)據(jù)中心能耗總量將超過 4000 億千瓦時(shí)。美國能源部在其國家實(shí)驗(yàn)室建成了世界最快的超算設(shè)施 Frontier，以滿足其科學(xué)發(fā)現(xiàn)、能源開發(fā)過程中的計(jì)算需求。隨著 Frontier 功能的完善，其功耗水平也在急劇提升。在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，F(xiàn)rontier 功耗超過 8 兆瓦，在進(jìn)行峰值運(yùn)算時(shí)功耗將達(dá)到 27 兆瓦，足以為大約 1 萬個(gè)家庭供電。未來，美國能源部還將開發(fā)十萬億億次（1021）級(jí)超算集群，預(yù)計(jì)功耗可能超過 100 兆瓦。
位于美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的 Frontier 超算
在我國，超算設(shè)施同樣成為耗電大戶。根據(jù)公開報(bào)道，天河二號(hào)的能耗約為18 兆瓦，太湖之光的功率超過 15 兆瓦。數(shù)據(jù)中心的巨大能耗已不容忽略，提升能效、降低能耗已成為數(shù)據(jù)中心發(fā)展的重點(diǎn)關(guān)注之一。核能，人工智能供電新方案
為降低數(shù)據(jù)中心和超算設(shè)施的能耗、提高能效，很多新技術(shù)被應(yīng)用在這些設(shè)施的建設(shè)過程中。例如，位于芬蘭的 LUMI 超算設(shè)施隸屬于歐洲高性能計(jì)算聯(lián)合企業(yè)，應(yīng)用于氣候建模、尋找新藥等諸多領(lǐng)域。它有成千上萬個(gè)獨(dú)立的處理器，每秒能夠執(zhí)行高達(dá) 429 千萬億次的計(jì)算操作。它由水力發(fā)電提供動(dòng)力，其廢熱被用來幫助當(dāng)?shù)鼐用袢∨�，�?shí)現(xiàn)了幾乎零碳排放。我國積極推動(dòng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)綠色化轉(zhuǎn)型，實(shí)施新基建綠電直供、老舊設(shè)施綠色化改造等。以國家綠色數(shù)據(jù)中心萬國數(shù)據(jù)浦江數(shù)據(jù)中心為例，該數(shù)據(jù)中心的分布式光伏系統(tǒng)年發(fā)電量可達(dá) 23.8 萬千瓦時(shí)，結(jié)合綠電直采及綠證交易等方式，自 2022 年起保持 100% 的可再生能源利用率。
萬國數(shù)據(jù)浦江數(shù)據(jù)中心（官網(wǎng)圖）除了水電、風(fēng)電和光電這類綠色能源外，還有一種能源成為了供能的新方案核能。今年 9 月，美國一家人工智能公司宣布正在努力重啟三里島（Three Mile Island）的 1 號(hào)機(jī)組，以為其人工智能數(shù)據(jù)中心供電。同期，美國另一家人工智能公司宣布正在設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)中心，將使用三座小型核反應(yīng)堆為其提供一千兆瓦的電力。這家公司目前在全球范圍內(nèi)已運(yùn)營(yíng)及在建的云數(shù)據(jù)中心達(dá) 162 個(gè)，其中規(guī)模最大的數(shù)據(jù)中心功率高達(dá) 800 兆瓦，內(nèi)含數(shù)英畝的英偉達(dá) GPU 集群，能夠訓(xùn)練全球最大規(guī)模的 AI 模型。10 月 14 日，還有一家美國人工智能公司與某核能初創(chuàng)企業(yè)達(dá)成協(xié)議，將從其7 座小型模塊化反應(yīng)堆（SMRs）中購買 500 兆瓦的全天候無碳電力。小型核反應(yīng)堆是指什么？確切地說，應(yīng)該稱其為小型先進(jìn)模塊化多用途反應(yīng)堆。從它的名字上我們就可以看出它的特點(diǎn)：
小型體積僅為常規(guī)核動(dòng)力堆的數(shù)十分之一。
模塊化系統(tǒng)和組件可在工廠組裝，然后以機(jī)組形式運(yùn)輸?shù)桨惭b地點(diǎn)。
反應(yīng)堆利用核裂變產(chǎn)生熱量，從而生產(chǎn)能源。
小堆具在開發(fā)建設(shè)上有低成本、短周期的優(yōu)勢(shì)，相比于常規(guī)的大型反應(yīng)堆更加安全可靠，同時(shí)一些模塊化反應(yīng)堆還具有較強(qiáng)的空間適應(yīng)性，具有多用途、綜合性的優(yōu)勢(shì)，可以進(jìn)行工業(yè)供熱供汽，為城市供暖，還可用于海水淡化和海洋開發(fā)。從功率規(guī)模來看，小堆的功率通常低于300兆瓦，當(dāng)前開發(fā)的很多種堆型的功率都在數(shù)十兆瓦左右，這與一個(gè)大型數(shù)據(jù)中心或超算集群的功耗相當(dāng)。
按照功率大小劃分反應(yīng)堆類型（A. Vargas/原子能機(jī)構(gòu)）
不過，目前美國尚未有小型模塊化核反應(yīng)堆投入使用，只有一款電功率為 45 兆瓦的小堆NuScale，于 2021 年獲得美國核能管理委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)批準(zhǔn)。一家核能初創(chuàng)公司提出的利用液態(tài)金屬反應(yīng)堆技術(shù)制造核電站的方案，被認(rèn)為可能是“解決人工智能帶來的極端能源需求的潛在解決方案”，有望在 2027 年前推出其首座反應(yīng)堆，功率范圍從 15 兆瓦到 50 兆瓦不等。隨著人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，其對(duì)能源的需求也在不斷增長(zhǎng)。谷歌與凱洛斯能源的合作只是人工智能能源探索眾多例子中的一個(gè)。人工智能的未來會(huì)是核能嗎？小型模塊化反應(yīng)堆的開發(fā)和應(yīng)用，確實(shí)為數(shù)據(jù)中心和超算設(shè)施提供了一種高效、清潔的能源解決方案，也為核能的未來發(fā)展開辟了新的可能性。然而，核能的利用也伴隨著安全和監(jiān)管的挑戰(zhàn)，需要我們?cè)谕苿?dòng)技術(shù)進(jìn)步的同時(shí)，確保核能的安全和可持續(xù)發(fā)展。
策劃制作
本文為科普中國-星空計(jì)劃作品
出品｜中國科協(xié)科普部
監(jiān)制｜中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司
作者｜蘇豪展 科普創(chuàng)作者
審核｜梁忠偉 廣州大學(xué)機(jī)電學(xué)院 副院長(zhǎng)
責(zé)編丨楊雅萍
