■清華大學(xué)信息國家研究中心研究員 曹軍威

通用人工智能大發(fā)展已經(jīng)影響到社會經(jīng)濟(jì)的方方面面，今年政府工作報告正式提出開展“人工智能+”行動。數(shù)據(jù)、算法和算力是人工智能實現(xiàn)的三大要素，報告明確指出：“適度超前建設(shè)數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施，加快形成全國一體化算力體系。”本文從算力需求出發(fā)，以基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的統(tǒng)一視角，結(jié)合綠色計算、云計算、智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)發(fā)展的歷史，提出算能融合的必然性，并從能量、信息、業(yè)務(wù)和價值四個層面詳細(xì)介紹算能融合的基本理念和典型場景，指出全國一體化算力體系中算能融合理念與實踐的核心和基石作用，并總結(jié)未來算能融合發(fā)展的主要趨勢和特點。

以ChatGPT 為代表的通用人工智能開啟了人類發(fā)展邁向智能化的新時代，數(shù)據(jù)、算法和算力是人工智能實現(xiàn)的三要素，在可以預(yù)見的未來，通用人工智能對算力的要求將呈指數(shù)級增長。最近，特斯拉、SpaceX 首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克提到：“我從未見過任何技術(shù)能比人工智能計算能力的發(fā)展更快。人工智能上線的算力似乎每6 個月就會增加10 倍。”他接著提到：“接下來短缺的將是電力。我認(rèn)為明年，你會看到，沒有足夠的電力來運行所有的芯片?！苯?，英偉達(dá)首席執(zhí)行官黃仁勛強(qiáng)調(diào)：“不應(yīng)僅僅關(guān)注計算力，而是需要更全面地考慮能源消耗問題。我們不能只想著算力，如果只考慮計算機(jī)，我們需要燒掉14個地球的能源。”同時，近期OpenAl創(chuàng)始人奧特曼也提出了類似的看法，他認(rèn)為：“未來人工智能技術(shù)的發(fā)展將高度依賴于能源，特別是光伏和儲能技術(shù)的進(jìn)步?！比斯ぶ悄馨l(fā)展可能引發(fā)的能源問題在國際上已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注。

政府工作報告在深入推進(jìn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新發(fā)展方面，提到深化大數(shù)據(jù)、人工智能等研發(fā)應(yīng)用，開展“人工智能+”行動，這是“人工智能+”首次被寫入政府工作報告中。其實今年2月，國務(wù)院國資委就召開了“AI 賦能 產(chǎn)業(yè)煥新”中央企業(yè)人工智能專題推進(jìn)會，強(qiáng)調(diào)中央企業(yè)要把發(fā)展人工智能放在全局工作中統(tǒng)籌謀劃，深入推進(jìn)產(chǎn)業(yè)煥新，加快布局和發(fā)展人工智能產(chǎn)業(yè)。另外，政府工作報告還首提“全國一體化算力體系”，事實上，去年底國家發(fā)展改革委等部門就聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于深入實施“東數(shù)西算”工程加快構(gòu)建全國一體化算力網(wǎng)的實施意見》，要求構(gòu)建跨區(qū)域算力調(diào)度體系，探索建立跨地區(qū)算電融合協(xié)同機(jī)制?？梢娝懔εc能源的融合發(fā)展已經(jīng)在我國引起了高度重視。

發(fā)展背景

能源電力是傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施，已經(jīng)有上百年的發(fā)展歷史，而計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展只有幾十年的歷史，真正從基礎(chǔ)設(shè)施的視角去理解和認(rèn)識算力還是近二三十年的事情。因此從基礎(chǔ)設(shè)施的統(tǒng)一視角去認(rèn)識算能融合的相關(guān)理念、場景和應(yīng)用具有重要意義，可以相互啟發(fā)，相輔相成共同發(fā)展。

基礎(chǔ)設(shè)施（Infrastructure）一詞從20 世紀(jì)20年代開始被用作公路、電網(wǎng)、電話、橋梁以及鐵路等類似公共設(shè)施的總稱，為工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了支撐作用。雖然好的基礎(chǔ)架構(gòu)經(jīng)常被人忽視，其重要性也只有在出現(xiàn)故障時才能體現(xiàn)出來，但基礎(chǔ)設(shè)施的確是人類創(chuàng)造出的復(fù)雜而昂貴的系統(tǒng)。美國NSF 于2003 年提出了信息基礎(chǔ)設(shè)施（Cyberinfrastructure,簡稱CI）的概念，其作為一個新名詞主要指基于計算機(jī)、信息和通信技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)施。CI對于知識經(jīng)濟(jì)的重要性可以與傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施對工業(yè)經(jīng)濟(jì)的支撐作用相比擬。

基礎(chǔ)設(shè)施本身具有鮮明的兩面性，從內(nèi)部看基礎(chǔ)設(shè)施的復(fù)雜性必須通過高度專業(yè)化的運營管理來解決；而從外部看，用戶所獲得的往往是方便、便宜、安全、可靠和持久的服務(wù)。因此，基礎(chǔ)設(shè)施的價值往往不在于其本身的昂貴，而更多的應(yīng)該從其所服務(wù)的對象身上去體現(xiàn)，就是所謂的“賦能”。

傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的概念更偏向能源、交通等類似的物理系統(tǒng)，為工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了支撐作用。我國在2020年正式提出新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，反映出數(shù)字和知識經(jīng)濟(jì)時代的新要求，具有鮮明的信息物理融合特征，即在信息基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)上，發(fā)展智慧能源基礎(chǔ)設(shè)施、智慧交通基礎(chǔ)設(shè)施等融合基礎(chǔ)設(shè)施，并鼓勵和提倡創(chuàng)新。

信息技術(shù)的發(fā)展事實上直到近十年才開始具備基礎(chǔ)設(shè)施實現(xiàn)的可能，比如云計算提供計算和存儲等資源的公用性，而數(shù)據(jù)中心是其基礎(chǔ)設(shè)施層面的載體；5G 通信會提供無所不在的人和物聯(lián)網(wǎng)的接入服務(wù)，而鐵塔基站等構(gòu)成相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施等，同時數(shù)據(jù)中心和鐵塔基站的建設(shè)又離不開能源電力基礎(chǔ)設(shè)施的支撐。而本文討論的算能融合又是這一趨勢在人工智能大發(fā)展新時代的具體延伸。

歷史沿革

算能融合不是一個新理念，其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展可以追溯到二三十年前，主要有兩方面的發(fā)展趨勢：一個是從計算技術(shù)的發(fā)展出發(fā)，不斷去結(jié)合能源電力的消耗、效率和綠色化的問題；另一方面是能源電力技術(shù)的發(fā)展，尤其是近年來新能源和新型儲能的發(fā)展，要不斷地結(jié)合計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)的應(yīng)用而走向數(shù)字化智能化。而類似能源互聯(lián)網(wǎng)的理念又能夠很好地將兩個方面從基礎(chǔ)設(shè)施的視角加以融合，是未來發(fā)展算能融合要尤其關(guān)注的。算能融合的發(fā)展具體分為五個階段：

最早可以追溯到20 世紀(jì)90 年代，信息技術(shù)領(lǐng)域面臨計算機(jī)的硬件軟件不能共享的問題，購買一臺計算機(jī)，其資源、軟件、硬件利用率都很低，能不能跟電網(wǎng)（Power Grid）類似，實現(xiàn)計算網(wǎng)格（Computational Grid），將大規(guī)模存儲和超算等資源通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)實現(xiàn)資源共享、即插即用、按用付費，這實際上是電力和算力在理念上相互借鑒的開始，也是第一個階段。

第二階段開始于21世紀(jì)初期，當(dāng)把數(shù)據(jù)中心看成底層的信息基礎(chǔ)設(shè)施，我們發(fā)現(xiàn)它的運行成本50%以上來源于能源消耗。所以彼時學(xué)術(shù)界提出了電力感知計算（Power-aware Computing），谷歌和微軟等IT企業(yè)發(fā)現(xiàn)大型數(shù)據(jù)中心的用電量可以跟一個中小城鎮(zhèn)相匹敵的時候，開始研究與電廠和電網(wǎng)等電力基礎(chǔ)設(shè)施相結(jié)合的數(shù)據(jù)中心能源解決方案。后來進(jìn)一步提出的綠色計算（Green Computing）的理念，更把計算的高性能與能耗掛鉤，提出高能效的重要性。

第三階段開始于大約15 年前，能源電力系統(tǒng)開始認(rèn)識到信息技術(shù)的重要性，從美國到中國開始發(fā)展智能電網(wǎng)，這導(dǎo)致了今天以“云大物移智鏈”為代表的新一代信息技術(shù)在能源電力系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，能源數(shù)字化智能化仍然是能源行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的主要方式。

第四階段是從10 年前開始，我們總結(jié)了能源互聯(lián)網(wǎng)的理念和技術(shù)架構(gòu)，把底層的信息能源基礎(chǔ)設(shè)施一體化，自下而上地構(gòu)建能源基礎(chǔ)設(shè)施，跟上層智慧能源、信息和價值的分享結(jié)合在一起形成一個能源互聯(lián)網(wǎng)的整體技術(shù)架構(gòu)。能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展是第三次工業(yè)革命和我國能源革命的重要標(biāo)志，是我國2015年開始實施“互聯(lián)網(wǎng)+”計劃在能源領(lǐng)域的重要抓手。

第五階段是近5年來，云計算為代表的信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施化已經(jīng)成型，國家提出構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，數(shù)據(jù)中心和新能源均納入新基建范疇。算力的大發(fā)展成為新一輪基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的引擎，類似之前“西電東送”工程，國家推動“東數(shù)西算”樞紐節(jié)點工程建設(shè)的同時，又開始強(qiáng)調(diào)全國一體化算力網(wǎng)的建設(shè)。這又令人回想起30年前計算網(wǎng)格的初衷（雖然是以超算為主演化為智算為主），回顧歷史的螺旋式進(jìn)步和發(fā)展，我們認(rèn)為，計算與能源的深度融合仍將是未來構(gòu)建全國一體化算力體系的基石。

基本理念

算能融合理念的總體目標(biāo)應(yīng)該始終兼顧智能高效與綠色低碳，不僅關(guān)注算力本身的高性能、高效率，還應(yīng)該從能效的角度出發(fā)，同時關(guān)注算力對應(yīng)所消耗的能源屬性，比如是否支持綠色低碳發(fā)展。主要體現(xiàn)在能量、信息、業(yè)務(wù)和價值四個層面：

算力負(fù)荷與多能互補(bǔ)耦合。在能量層面，算力作為能源系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲各個環(huán)節(jié)中的負(fù)荷，其空間上的可轉(zhuǎn)移性和時間上的可平移性決定了，在與風(fēng)光等新能源、電網(wǎng)和新型儲能互動實現(xiàn)能量平衡方面，可以發(fā)揮一定的耦合作用。

算力網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)一體。在信息層面，全國一體化算力網(wǎng)的建設(shè)應(yīng)該充分借鑒能源互聯(lián)網(wǎng)信息能源基礎(chǔ)設(shè)施一體化理念，甚至可以共用通信、存儲和計算等基礎(chǔ)設(shè)施。

算力調(diào)度與能量管理協(xié)同。在業(yè)務(wù)層面，算力調(diào)度需要考慮的不僅僅是計算任務(wù)的分配和完成，同時應(yīng)該結(jié)合能源互聯(lián)網(wǎng)能量管理系統(tǒng)(EMS)的要求，EMS 可以利用算力調(diào)度實現(xiàn)需求側(cè)管理與響應(yīng)。

算力市場與能源價值統(tǒng)籌。在價值層面，建立全國一體化算力大市場，應(yīng)該與具有商品屬性的能源電力市場和交易統(tǒng)籌考慮，而能源交易不僅僅是能量本身的交易，還包括綠證交易、碳交易等多方面屬性的價值體現(xiàn)。

典型場景

算能融合的典型場景可以體現(xiàn)在建設(shè)、運行、平臺、應(yīng)用和市場等多個環(huán)節(jié)，均表現(xiàn)出算力為能源服務(wù)、能源為算力服務(wù)的雙向作用，達(dá)到融合的效果。本文算力主要指支撐人工智能技術(shù)發(fā)展的智算，而能源主要指代表未來發(fā)展方向的新能源和新型儲能等。

新能源綠色智算中心建設(shè)。在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面，智算中心供能可以通過規(guī)劃以新能源和新型儲能為主體的源網(wǎng)荷儲一體化系統(tǒng)來支撐；同時新能源建設(shè)本身面臨的消納問題也可以通過智算中心算力負(fù)荷來實現(xiàn)。

智算中心冷熱電多能互補(bǔ)。在基礎(chǔ)設(shè)施運行方面，智算中心運行會產(chǎn)生熱量，需要解決制冷問題，而通過熱量的回收和利用，可以滿足周邊冷熱電多能互補(bǔ)能源系統(tǒng)的能量需求。

一體化信息管理平臺實現(xiàn)。在信息平臺方面，算力網(wǎng)絡(luò)和能源互聯(lián)網(wǎng)運行都有物聯(lián)、傳感、通信、存儲、計算和安全等要求，可以重用基礎(chǔ)設(shè)施和平臺加以實現(xiàn)，避免重復(fù)開發(fā)和浪費。

綠色算力和智慧能源應(yīng)用。在高級應(yīng)用方面，綠色算力的實現(xiàn)需要新能源和新型儲能的調(diào)度來支撐；而智慧能源管理也需要人工智能技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的能量管理。

算力、綠電和碳交易結(jié)合。在市場交易方面，算力調(diào)度如果考慮能量在時間和空間上價值的不同，在滿足用戶需求的基礎(chǔ)上可以實現(xiàn)更好的經(jīng)濟(jì)性；綠色低碳本身具備能量交易之外的價值，也可以賦予算力相應(yīng)的價值屬性。

總結(jié)展望

人工智能成為發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的重要引擎，這決定了在未來一段時期支持人工智能技術(shù)的算力網(wǎng)絡(luò)將大規(guī)模發(fā)展，并通過“人工智能+”賦能各行各業(yè)。全國一體化算力體系涉及的內(nèi)容比較廣泛，包括頂層設(shè)計、政策制度、技術(shù)體系、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、市場環(huán)境等諸多方面，而以算能融合理念為核心基石，其發(fā)展會呈現(xiàn)以下趨勢和特點：

互聯(lián)互通。在網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的基礎(chǔ)上，要實現(xiàn)算力和應(yīng)用互聯(lián)互通，將增強(qiáng)對能源互聯(lián)的需求，進(jìn)一步推動信息能源基礎(chǔ)設(shè)施一體化。

基礎(chǔ)制度。數(shù)據(jù)確權(quán)、共享、交易、安全等基礎(chǔ)制度的不斷完善，會大力促進(jìn)能源數(shù)字化智能化的發(fā)展。

技術(shù)創(chuàng)新。通用人工智能引發(fā)新一輪技術(shù)革命，將深刻影響甚至顛覆傳統(tǒng)能源系統(tǒng)從設(shè)計、建設(shè)、運行到運營各個環(huán)節(jié)，真正形成新質(zhì)生產(chǎn)力，推動能源行業(yè)轉(zhuǎn)型升級煥新。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。算能融合將催生新一輪跨界標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定和實施，傳統(tǒng)專業(yè)化的知識壁壘將不復(fù)存在，跨領(lǐng)域合作協(xié)同將無處不在。

市場環(huán)境。數(shù)據(jù)和算力的發(fā)展將逐步形成全國統(tǒng)一算力大市場，而能源電力體制改革和市場化交易的推進(jìn)也處于關(guān)鍵階段，兩者可以互相促進(jìn)?！?/p>