主題：AI化身“能耗巨獸”，科技大佬警告：新的能源危機(jī)來(lái)了


環(huán)球零碳
科技領(lǐng)域創(chuàng)作者
2024-03-11 16:36
北京

圖片來(lái)源：Getty Images

摘要：

以ChatGPT為代表的AI大模型在給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)巨大變革的同時(shí)，也需要耗費(fèi)大量的能源和水資源，并產(chǎn)生非常高的碳足跡。以馬斯克和奧特曼為代表的科技大佬們已經(jīng)預(yù)警人工智能(AI)行業(yè)正面臨能源危機(jī)。

撰文 | Penn

編輯 | Tang

→這是《環(huán)球零碳》的第987篇原創(chuàng)

由美國(guó)OpenAI公司最新推出的視頻生成工具Sora，自2月16日發(fā)布以來(lái)，便成為了人工智能界最火爆的“網(wǎng)紅”和2024年的開(kāi)年“頂流”。

OpenAI上一個(gè)全網(wǎng)刷屏的現(xiàn)象級(jí)產(chǎn)品ChatGPT曾在推出僅兩個(gè)月后，就達(dá)到了1億月活躍用戶(hù)數(shù)，成為歷史上增長(zhǎng)最快的消費(fèi)者應(yīng)用之一。

而這一次，僅僅靠文字指示，Sora就能生成細(xì)節(jié)豐富，動(dòng)作流暢，而且畫(huà)面連貫的高質(zhì)量視頻，成為了OpenAI繼ChatGPT之后新的生成式AI的標(biāo)桿。

這一輪由Chat GPT掀起的AI大模型熱潮里，戰(zhàn)況正日趨激烈。就在當(dāng)?shù)貢r(shí)間3月4日，全球最強(qiáng)大模型已經(jīng)易主，而OpenAI不可戰(zhàn)勝的神話也被打破。當(dāng)天，OpenAI最強(qiáng)競(jìng)對(duì)Anthropic最新發(fā)布的Claude 3系列模型，在榜單性能跑分上全面超越GPT-4，實(shí)現(xiàn)了對(duì)GPT-4的全面超越。

但AI背后，是算力，算力背后是能耗。隨著算力、性能的不斷提升，人工智能飛速發(fā)展的背后，能源和水資源的消耗問(wèn)題也日益凸顯，成為了業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)。

據(jù)國(guó)際能源署稱(chēng)，在全球范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)中心目前約占全球用電量的1%至1.5%。全球人工智能領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展可能會(huì)導(dǎo)致這一數(shù)字大幅上升，而且速度會(huì)很快。與此同時(shí)，大量的碳排放和數(shù)百萬(wàn)加侖淡水的消耗也不容小覷。

對(duì)此，以特斯拉首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克、OpenAI首席執(zhí)行官薩姆·奧特曼為代表的科技大佬們也頻頻預(yù)警人工智能(AI)行業(yè)所面臨的能源危機(jī)。人工智能的能源消耗究竟多大？科技大佬為何同時(shí)疾呼“新的能源危機(jī)到來(lái)”？


圖說(shuō)：3月4日，Anthropic發(fā)布Claude 3系列模型
來(lái)源：Anthropic

01--人工智能正面臨能源危機(jī)，電力短缺即將到來(lái)

最新的預(yù)警來(lái)自于馬斯克。2月29日，在“博世互聯(lián)世界2024”大會(huì)上，埃隆·馬斯克遠(yuǎn)程接受了博世CEO斯特凡·哈同（Stefan Hartung）和董事長(zhǎng)馬庫(kù)斯·海恩（Markus Heyn）的采訪，就人工智能議題發(fā)表看法。

馬斯克表示，芯片短缺的情況可能已經(jīng)過(guò)去，但人工智能和電動(dòng)汽車(chē)正在以如此迅猛的速度擴(kuò)張，明年全球?qū)⒚媾R電力和變壓器供應(yīng)緊張的問(wèn)題。


圖說(shuō)：2月29日馬斯克遠(yuǎn)程出席“博世互聯(lián)世界2024”大會(huì)
來(lái)源：BOSCH

值得注意的是，這已經(jīng)不是馬斯克第一次試圖引起業(yè)界對(duì)于缺電危機(jī)的更大關(guān)注。

去年以來(lái)，馬斯克已經(jīng)多次在各個(gè)場(chǎng)合預(yù)警可能即將到來(lái)的電力短缺。當(dāng)?shù)貢r(shí)間7月14日，馬斯克在xAI公司會(huì)議上預(yù)測(cè)，未來(lái)兩年將經(jīng)歷從硅料短缺到電壓器短缺，再到電力短缺，單位能源有效計(jì)算量會(huì)是最重要指標(biāo)。

7月底，馬斯克在太平洋瓦電公司PG&E主辦的創(chuàng)新峰會(huì)上重申，美國(guó)2年內(nèi)將爆發(fā)大缺電，到2045年美國(guó)的電力消耗將增加2倍，處理不當(dāng)將阻礙人工智能(AI)、電動(dòng)車(chē)發(fā)展機(jī)遇。他呼吁電企，盡快提升緊迫感，警告必須采取更快的行動(dòng)。

今年1月，在瑞士達(dá)沃斯舉行的年度會(huì)議上，OpenAI首席執(zhí)行官薩姆·奧特曼也終于承認(rèn)，人工智能(AI)行業(yè)正面臨能源危機(jī)。薩姆·奧特曼警告稱(chēng)，未來(lái)人工智能需要能源突破，因?yàn)槿斯ぶ悄芟牡碾娏⑦h(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們的預(yù)期。他說(shuō)：“如果不取得突破，就不可能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。”


圖說(shuō)：OpenAI 首席執(zhí)行官 Sam Altman在沃斯世界經(jīng)濟(jì)論壇上發(fā)言
來(lái)源：Getty Images

02--AI耗能幾何？

在過(guò)去的兩年里，人工智能（AI）迎來(lái)了快速擴(kuò)張，應(yīng)用場(chǎng)景不斷拓展。受 OpenAI 的 ChatGPT成功推出的影響，微軟和 Alphabet等知名科技公司在2023 年大幅增加了對(duì)人工智能的支持，作為對(duì)ChatGPT的回應(yīng)，Bing Chat和Bard紛紛問(wèn)世。

這種加速發(fā)展引起了人們對(duì)人工智能和數(shù)據(jù)中心的電力消耗和潛在環(huán)境影響的擔(dān)憂。

2023年10月，阿姆斯特丹自由大學(xué)商業(yè)與經(jīng)濟(jì)學(xué)院的博士候選人德弗里斯(Alex de Vries) 發(fā)表在《焦耳》雜志上的一項(xiàng)研究表明，人工智能(AI)對(duì)環(huán)境的影響可能比之前認(rèn)為的要大。研究發(fā)現(xiàn)，隨著人工智能崛起，到了2027年，AI服務(wù)器所消耗的用電量將等同于荷蘭全國(guó)的能源需求量，這可能會(huì)破壞全球減少碳排放的努力。


圖說(shuō)：2022年訓(xùn)練基于AI的大型語(yǔ)言模型時(shí)的能源消耗（單位：MWh）
來(lái)源：Statista

德弗里斯在他的研究中解釋道，像ChatGPT這樣的大型語(yǔ)言模型(LLM)需要大量的數(shù)據(jù)集來(lái)訓(xùn)練人工智能。他稱(chēng)，“如果你要花費(fèi)大量資源，建立這些真正的大型模型，并嘗試運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間，那將是潛在的巨大能源浪費(fèi)?！?Alphabet 董事長(zhǎng)也曾在2023 年2月表示，與LLM 交互的成本可能是標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵字搜索的10倍。據(jù)報(bào)道，標(biāo)準(zhǔn)Google搜索使用0.3Wh電力，這表明每次 LLM 交互的電力消耗約為3Wh。

人工智能（AI）是指使機(jī)器表現(xiàn)出智能行為的一系列技術(shù)和方法。在該領(lǐng)域中，用于創(chuàng)建新內(nèi)容的生成式人工智能則是典型代表，無(wú)論是文本生成工具 ChatGPT、圖像生成工具DALL-E還是最近爆火的視頻生成工具Sora，均使用了自然語(yǔ)言處理技術(shù)，并包括訓(xùn)練階段（training phase）和推理階段（inference phase）兩大部分。這兩階段都有高密集的能源需求，然而目前尚不清楚各階段的耗能占比。


圖說(shuō)：人工智能創(chuàng)建涉及的兩個(gè)階段：訓(xùn)練階段和推理階段
來(lái)源：silab.fr

在訓(xùn)練階段，人工智能模型（如 ChatGPT 的模型）被輸入大型數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練，程序?qū)?duì)模型最初的任意參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使預(yù)測(cè)輸出與目標(biāo)輸出接近。每個(gè)大預(yù)言模型（LLM）都是在TB級(jí)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行訓(xùn)練的，擁有1,750億或更多參數(shù)。Hugging Face報(bào)告稱(chēng)，其 BigScience Large Open-Science Open-Access Multilingual?(BLOOM) 模型在訓(xùn)練過(guò)程中消耗了433兆瓦時(shí)電力，而GPT-3和Gopher僅僅用于訓(xùn)練就消耗了超過(guò)1000兆瓦時(shí)的能量。

訓(xùn)練結(jié)束后，模型將被部署到生產(chǎn)環(huán)境中，并開(kāi)始推理階段，根據(jù)新數(shù)據(jù)生成輸出結(jié)果。研究公司 SemiAnalysis 指出，OpenAI需要3,617臺(tái)英偉達(dá)公司的HGX A100服務(wù)器（共有28,936個(gè)圖形處理單元 (GPU)）來(lái)支持 ChatGPT，這意味著每天的能源需求為 564 兆瓦時(shí)，這要比訓(xùn)練階段的能源需求高得多。此外，谷歌也報(bào)告稱(chēng)，從 2019年到 2021年，人工智能相關(guān)能源消耗的60%來(lái)自推理。然而，來(lái)自 Hugging Face的對(duì)比數(shù)據(jù)表明，BLOOM模型在推理階段的能耗明顯低于訓(xùn)練階段。

德弗里斯在論文中指出，如果將生成式人工智能集成到谷歌的每一個(gè)搜索中，那么屆時(shí)谷歌就會(huì)大幅增加對(duì)電力的需求。


圖說(shuō)：與標(biāo)準(zhǔn) Google 搜索相比，各種人工智能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的每個(gè)請(qǐng)求的估計(jì)能耗
來(lái)源：[6]

據(jù)SemiAnalysis 估算，在每次谷歌搜索中實(shí)施類(lèi)似 ChatGPT的人工智能將需要51.28萬(wàn)個(gè)英偉達(dá)A100 HGX服務(wù)器，總計(jì)410.26萬(wàn)個(gè)GPU，如果每臺(tái)服務(wù)器的電力需求為6.5千瓦，這將相當(dāng)于每天80吉瓦時(shí)的電力消耗和每年29.2太瓦時(shí)的電力消耗。

另一家研究機(jī)構(gòu)New Street Research也得出了類(lèi)似的估計(jì)，其認(rèn)為谷歌將需要大約40萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器，這將導(dǎo)致每天消耗62.4吉瓦時(shí)，每年消耗22.8太瓦時(shí)的能源。

在此項(xiàng)研究中，德弗里斯還根據(jù)英偉達(dá)的AI芯片銷(xiāo)售狀況等參數(shù)對(duì)全球人工智能相關(guān)電力消耗進(jìn)行了預(yù)測(cè)，他估計(jì)，到2027年，全球新制造的服務(wù)器與人工智能相關(guān)的電力消耗可能會(huì)增加到85.4-134.0 太瓦時(shí)（850～1340億度電），這個(gè)數(shù)字與荷蘭、阿根廷和瑞典等國(guó)家的年用電量相當(dāng)，約占全球當(dāng)前用電量的0.5%。

無(wú)獨(dú)有偶，法國(guó)施耐德電氣公司去年10 月估計(jì)，目前用于人工智能應(yīng)用的數(shù)據(jù)中心的總能耗與塞浦路斯全國(guó)的能耗相當(dāng)。微軟數(shù)據(jù)中心技術(shù)治理和戰(zhàn)略首席電氣工程師Paul Churnock預(yù)計(jì)，到2024年底，部署數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的英偉達(dá)H100 GPU時(shí)，英偉達(dá)的H100 GPU的能耗將超過(guò)亞利桑那州鳳凰城所有家庭的能耗。

03--不但耗電，而且費(fèi)水

人工智能除了耗電量驚人，同時(shí)還非常耗水。

無(wú)論是訓(xùn)練階段還是推理階段，人工智能都離不開(kāi)大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心。而數(shù)據(jù)中心服務(wù)器運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，水冷是服務(wù)器最普遍的方法，這就導(dǎo)致了巨大的水資源消耗。

弗吉尼亞理工大學(xué)研究指出，數(shù)據(jù)中心每天平均必須耗費(fèi)401噸水進(jìn)行冷卻，約合10萬(wàn)個(gè)家庭用水量。Meta在2022年使用了超過(guò)260萬(wàn)立方米（約6.97億加侖）的水，主要用于數(shù)據(jù)中心。微軟在其最新的環(huán)境報(bào)告中透露，2022年公司用水量同比去年激增了34%，達(dá)到640萬(wàn)立方米，比2500個(gè)奧林匹克標(biāo)準(zhǔn)游泳池的水量還多。谷歌發(fā)布的2023年環(huán)境報(bào)告同樣顯示，其2022年消耗的水量高達(dá)212億升，比上一年增加了 20%，其中有約196億升的水用于數(shù)據(jù)中心。


圖說(shuō)：數(shù)據(jù)中心用水示意圖
來(lái)源：[13]

加州大學(xué)河濱分校電氣與計(jì)算機(jī)工程系副教授任紹磊（ShaoleiRen）自2013年起就開(kāi)始研究人工智能的用水問(wèn)題。在其去年10月發(fā)表的論文中，任紹磊指出，人工智能主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器冷卻（范圍 1）和場(chǎng)外發(fā)電（范圍 2）兩種方式消耗水。在微軟全球數(shù)據(jù)中心，平均來(lái)算大概每用一度電就要蒸發(fā)掉一升水，這一升水還只是數(shù)據(jù)中心直接用水。為了產(chǎn)生這一度電，在發(fā)電環(huán)節(jié)還要消耗大量的水。按照業(yè)界平均水平，每發(fā)一度電要消耗大約3-6升水。

除了運(yùn)營(yíng)過(guò)程中范圍1和范圍2消耗水，人工智能供應(yīng)鏈還存在范圍3的水消耗。制造人工智能所需的芯片的過(guò)程中，也將消耗大量的能源和水資源。硅片工藝需要“超純水”清洗，且芯片制程越高，耗水越多。生產(chǎn)一個(gè)2克重的計(jì)算機(jī)芯片，大約需要32公斤水。制造8寸晶圓，每小時(shí)耗水約250噸，12英寸晶圓則可達(dá)500噸。


圖說(shuō)：訓(xùn)練GPT-3耗費(fèi)的清潔淡水量與其他活動(dòng)耗水量的對(duì)比
來(lái)源：News18

任紹磊（ShaoleiRen）在其論文中指出，在微軟最先進(jìn)的美國(guó)數(shù)據(jù)中心訓(xùn)練 GPT-3總共會(huì)消耗 540 萬(wàn)公升的清潔淡水，其中包括 70 萬(wàn)公升的范圍-1 現(xiàn)場(chǎng)水消耗。經(jīng)過(guò)測(cè)算，GPT-3每進(jìn)行10-50次的基本詢(xún)問(wèn)對(duì)話，就需要消耗500毫升的水，具體取決于部署的時(shí)間和地點(diǎn)。也就是說(shuō)，每一次詢(xún)問(wèn)對(duì)話，它至少要“喝”10毫升以上的水。


圖說(shuō)：全球不同地區(qū)每 500mL用水量（范圍1和范圍2）的GPT-3 推斷數(shù)量
來(lái)源：[12]

對(duì)于未來(lái)，任紹磊的團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)，到2027年，全球人工智能可能需要4.2-66億立方米的清潔淡水量，這比4-6個(gè)丹麥或一半英國(guó)的年取水總量還要多。如果美國(guó)承載著全球一半的人工智能工作量，那么人工智能的運(yùn)行可能會(huì)占用其每年總?cè)∷康募s0.5%至0.7%。同時(shí)，全球人工智能范圍1和范圍2的總耗水量可能超過(guò)0.38-6億立方米，即大約相當(dāng)于丹麥一半的年取水量或2.5-3.5個(gè)利比里亞的年取水量。


圖說(shuō)：預(yù)計(jì)2027年全球人工智能用水量
來(lái)源：[12]

04

寫(xiě)在最后

在這一波由OpenAI引領(lǐng)的人工智能浪潮中，AI 大模型席卷了整個(gè)科技領(lǐng)域，在辦公、醫(yī)療、金融、教育等行業(yè)中，基于AI大模型新型應(yīng)用也層出不窮，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)了新的助力。

但是不可否認(rèn)的是，就像AI給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)效率提升的同時(shí)也帶來(lái)治理和道德危機(jī)一樣，人工智能的發(fā)展需要耗費(fèi)大量能源和水資源，甚至可能引發(fā)新一輪的能源危機(jī)。

而這一問(wèn)題，依然只能從技術(shù)層面來(lái)根本性地解決，新的能源資源解決方案，比如，核聚變技術(shù)，小型模塊化反應(yīng)堆（SMR）正在為科技巨頭們帶來(lái)新的希望。


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