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智能算力快速发展对电力供需的影响及建议

自2022年11月美国人工智能实验室公司（OpenAI）发布智能聊天机器人ChatGPT以来，全世界对人工智能的关注持续升温。我国的云计算和人工智能科技公司迅速跟进，文本、图像等多媒体生成式人工智能进入规模化应用时代，“人工智能+”首次被写入政府工作报告，《算力基础设施高质量发展行动计划》《深入实施“东数西算”工程加快构建全国一体化算力网的实施意见》等支持政策文件相继印发，全国各地争相布局算力产业，智能算力需求呈现快速增长态势。算力发展提速带来巨大的用电需求，数据中心负荷呈井喷式增长。

一、智能算力规模加速增长，催生数据中心旺盛电力需求，碳排放压力下绿电需求占比持续提升

数字经济和人工智能技术加速算力规模爆发式增长，智能算力成为发展主流。根据计算机处理能力，算力一般可划分为基于CPU芯片的基础算力、基于GPU芯片的智能算力和基于超级计算机集群的超算算力。从智能驾驶、智慧城市、元宇宙，再到以ChatGPT、Sora为代表的生成式人工智能，拉动算力需求爆发式增长，也促进算力基础设施由通用算力为主，向通用算力、智能算力、超算算力一体化演进。人工智能不断增加模型参数、叠加芯片的发展路线，推动智能算力需求不断提升。以ChatGPT的人工智能大模型更新迭代为例，GPT-4的主要参数和计算量分别是GPT-3的10倍和3倍。数据中心是规模化算力的载体。据工信部统计，截至2023年底，我国在用数据中心标准机架超过810万架，算力总规模达到230EFlops，是2020年的3倍，居全球第二位，算力总规模近5年年均增速近30%。其中，智能算力规模达到了70EFlops，占比超过30%、增速超过70%，呈现爆发性增长态势。作为“东数西算”十大国家数据中心集群之一的张家口，目前已投运标准机柜超33万架、服务器超150万台，智能算力占比38%。

算力崛起催生旺盛电力需求，数据中心高能耗特性日益凸显。进入“十四五”以来，快手、抖音等视频直播生态爆发式发展，图片、视频存储等通用算力需求快速增长，推动数据中心用电量年均增速超过15%。GPU服务器的能耗功率通常是CPU服务器的4～5倍，智能算力能耗较基础算力能耗明显增加。据《2022—2023全球计算力指数评估报告》分析，在数据中心电能使用效率（PUE）为1.1的情况下，人工智能大语言模型GPT-3一次训练的耗电量为128.7万千瓦时，相当于我国约430个家庭一整年的生活用电量。而大模型更新迭代伴随着计算参数的翻倍，能耗也会大幅增加，GPT-4的能耗是上一代的40倍以上。人工智能的规模化应用推动了数据中心电力需求井喷式增长，当前全国数据中心用电量占全社会用电量比重约1.6%。张家口在“东数西算”枢纽节点建设和承接北京算力需求溢出的推动下，数据中心用电量占全社会用电量比重从2019年的6.8%增长至2023年的20.1%，数据产业日趋成为电网重要的电力负荷和耗能用户。

兼顾碳排放双控要求和新型电力系统发展，数据中心绿电需求增长趋势明显。高能耗用能特性下，算力行业的快速发展带来了碳排放量增长压力，国家层面已经将数据中心与钢铁、电解铝、水泥等八大传统高耗能、高污染行业一同纳入重点推进节能降碳的领域。增加绿电使用是解决算力高能耗需求下兼顾节能减排的重要手段。一方面，《深入实施“东数西算”工程加快构建全国一体化算力网的实施意见》明确提出到2025年底，国家枢纽节点新建数据中心绿电占比超过80%，考虑到截至2023年底我国数据中心绿电使用率约22%，“双碳”目标下数据中心需要大幅提升绿色能源使用比例。另一方面，我国可再生能源装机占全国发电总装机已超过50%，可再生能源发电量接近全社会用电量的三分之一，随着新型电力系统建设推进，新能源逐渐由容量主体发展为电量主体，供需双方作用下数据中心绿电需求增长潜力巨大，用能结构中绿电占比将持续快速提升。

二、人工智能规模化应用推动数据中心用电持续增长，区域集聚性、负荷周期性、用电高可靠性对电力保供提出挑战

人工智能逐渐步入规模化应用阶段，推动数据中心用电需求不断攀升。基础算力等传统数据中心电力需求在数字经济发展拉动下将保持稳定增长，而随着人工智能大模型对算力处理能力和规模要求的双重提升，大型、超大型智能算力中心正日益成为新建数据集群的发展趋势。一方面，人工智能大模型将从训练阶段步入应用推理阶段，其推理算力需求会显著高于训练算力；另一方面，在A100等高性能芯片禁运背景下，我国数据中心建设面临“叠加数量换性能”处境，智能算力的用电量将会进一步提升。按照我国对于2025年中国算力总规模将超过300EFlops、智能算力占比达到35%的发展目标，预计今明两年算力总规模年均增长14.2%，设定基础和高速发展情景，考虑未来数据中心电能利用效率（PUE）下降，