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文档简介
国网冀北电力有限公司经济技术研究院STATEGRIDJIBEIELECTRICPOWERCOMPANYLIMITEDECONOM2024年8月自2022年11月美国人工智能实验室公司(OpenAl)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"人工智能+"首次被写入政府工作报告,支持美国人工智能企业家不断表达对"缺电"的焦虑,引发国内的关注升温。2024年1月,OpenAl的创始人奥特曼在瑞士达沃斯举行的世片了”。2024年3月,英伟达创始人黄仁勋在斯坦福大学演讲中表示的无底洞”。ITATE1DmxCrIcPowcouANYuTEoEcoN智能算力发展及其电力需求现状智能算力用电特性及其未来面临的挑战4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一、智能算力规模加速增长,催生数据中心旺盛电力需求,碳压力下绿电需求占比持续提升ITATEcIDcraicpowrcowAYuMTLoDECONowC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、叠加芯片的技术路线,推动智能算力需求不断提升。以ChatGPT的更新迭代为例,GPT-4的主要参数和计算量是GPT-3的10倍和3倍。智能算力超算算力基础算力为主GPT大模型各版本训练数量推出时间2018年GPT-11.17亿5GB2019年15亿2020年1750亿2023年1.8万亿资料来源:工行投行研究中心61、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0■算力总规模■数据中心标准机架万架02023年我国算力结构超算算力2019-2023年全国数据中心机架和算力总规模2019-2023年全国数据中心机架和算力总规模一、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国网冀北电力有限公司经济技术研究院ITATEG*10mCrNicpowrcowraWYuMITto22、数据中心布局呈“由东向西”转移特点,京津冀算力规模全国居前列京津冀算力枢纽承载力在全国比较领先,算力规模处于国内第一梯队,算力市场规模占全国份额的30%以上。能算力占比38%。国家发改委高技术司认定的12家数据中心骨干企业中,9家企业已在张家口市落地数据中心项目,其中,秦淮(主要承接字节跳动、微软等业务)、合盈(主要承接字节跳动、美团等业务)、阿里(自用为主)庆阳集群和林格尔集群中卫集群京津冀算力枢纽节点算力布局枢红京计重张家口集群芜潮集群庆阳集群和林格尔集群中卫集群京津冀算力枢纽节点算力布局枢红京计重张家口集群芜潮集群一方肉需安集群部关象群板虹天府集群重庆集群概红低红河北省8一、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国网冀北电力有限公司经济技术研究院STATEc*10uCracpowrcowraYuM33、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“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,智能算力较基础算力能耗明显增加。《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128.7万干瓦时,相当于我国约430个家庭一整年的生活用电量。覆属酒基覆属酒基直播生态爆发式发展生成式人工智能模型训练和推生成式人工智能模型训练和推理消耗概念趋势图生成式人工智晓噪型开发生成式入工智躲模型调忧生成式人工智能模型推理生成式人工智能软件生成内容类型GPT-3一次训练的耗电量128.7万千瓦时整年生活用电量9一、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ITATEc10nrcraicpowcowaYuwTto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。201920202021张家口数据中心用电量占全社会用电量比重全国数据中心用电量占全社会用电量比重一、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国网冀北电力有限公司经济技术研究院sTATEG10LEcrICPowKRcoM44、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《数据中心绿色低碳发展专项行动计划》-L…算力应用领城算力设施电力消耗算力中心《数据中心绿色低碳发展专项行动计划》-L…算力应用领城算力设施电力消耗算力中心研究实验类轴智能计算超算中心数据中心国2023年算力总规模我国2023年数照中心耗基因组学智吸设备和作感器实时正维识别程更检洲疫术计算机税健图像处理经术高性版计算集群分布式计算系统工业,城教高领域医学锈城人然图像分析解释医学影懂智能学习发改环资[2024]970号发改环资[2024]970号一、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。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。现有可再生能源装机占比超现有可再生能源装机占比超0二、Al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iTATEc10axcricPowrcowaYuMTto11、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。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。机架占比(%)个数占比(%)个数占比(%)20232023Group,中国通服数字基建产业研究院资料来源:《2023-2024中国人工智能计算力发展评估报告》资料来源:Group,中国通服数字基建产业研究院资料来源:《2023-2024中国人工智能计算力发展评估报告》二、Al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iTArE*10crNicPo*xNcewe11、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计今明两年全国数据中心用电量年均增长约290亿~469亿千瓦时,到2025年将达到2053亿~2412亿千瓦时,用电量年均增速约18.0%~27.9%,占全社会总用电量比重将提升至2.0%~2.3%,接近金属制品行业用电量规模。主要目标到2025年实现情情t2资料来源:《中国智能计算产业联盟》、招商证券国网冀北电力有限公司经济技术研究院ITATEG10ucmicpowrcowraYuMTLo二、Al规模化应用推动数据中心用电持续增长,区域集聚性、负荷国网冀北电力有限公司经济技术研究院ITATEG10ucmicpowrcowraYuMTLo22、数据中心呈现区域集聚化发展态势,局部地区电力基础设施建设面临压力长三角成渝京津露“十四五”末部分枢纽节点数据中心投资规模十四五水萝三方专业服务贸投餐照模《化光)*十四三水其他服务前控资舰模(《化光》资料来源:八大枢纽节点申报方案、中国通服数字基建产业研究院ITATEc*10ncraicpowrcow周期性、用电高可靠性对电力保供提出挑战ITATEc*10ncraicpowrcow西部数据中心与新能源选址整体耦合,但局部方案、具体设计落地时并非完全匹配。电力基础设施建设工程点多面广、建设周期长,局部地区爆发式增长的数据中心电力需求将给电力保供和输配电设施建设带来较大压力,大量数据中心项目密集并网可能导致电网接入资源紧张。比如,美国智能算力爆发引起的电力负荷激增已对其电力运行构成较大挑战,当前美国70%的电网接入和输配电设施已老化和落后,某些地区电网传输线路甚至严重不足。二、Al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3、数据中心用电负荷呈现周期特性,与地区夏季负荷高峰时间重合,或加大迎峰度夏电力保供压力用电负荷比重达40%~50%。数据中心降温需求旺盛,制冷系统的能耗占比为30%~40%,负荷呈现一定的昼新风直接冷却新风直接冷却全新风冷自然风冷直接水侧冷却海水冷却水下冷却湖水冷却冷板式液冷全液冷板系统液冷CDU浸没式液冷单相浸没液冷液冷微型机柜液冷计算机张家口数据中心集群年负荷曲线标么值ITATEc10mscrcpoWEcowAXYuMTtoITATEc10mscrcpoWEcowAXYuMTto3、数据中心用电负荷呈现周期特性,与地区夏季从日负荷特性来看,日间负荷大、晚间负荷小;夏季日峰谷差率较大,冬季日峰谷差率较小,张家口数据中心夏、冬日峰谷差分别为17%和7%。降温负荷占比高、用电需求与夏季负荷高峰时间重合度高等用电特性将持续推高夏季极端天气下的地区电力需求,过去五年,张家口数据中心集群最大负荷逐年攀升,年均增速达28%。万干瓦2022年2023年冀北电网最大负荷曲线张家口数据中心集群日负荷曲线冀北电网最大负荷曲线张家口数据中心集群日负荷曲线iTATEcInmcricpowrcowrAWYu二、Al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iTATEcInmcricpowrcowrAWYu4、智能算力数据中心具有单地点、全时段、大功率的用电特点,对电4、智能算力数据中心具有单地点、全时段、大功率的用电特点,对电力供应稳定性要求更高,与新能源发电的波动性存在结构性矛盾传统数据中心实际功率波动性较大资料来源:《东数西算“背景下大型数据中心建设对电网规划的影响研突》卢子敬等2022年AI数据中心的用能可能会持续在峰值负荷不变峰值负荷不变数据中心不阿工作负载通常会晒机达到值,区统计,所有这整峰值网时出观的概率极低因此,如果将所有单个工作负载的峰借相加,以总平均功耗,粪型的大型数据中统的因。但正如人工智院属性与段的”部分所述.人工智前训负救缺乏变化。这带工作负载可以在峰值功率下运行数小时,数天基至数园,其结果星加了上游大型断路丽脱扣的可能性,这就像家中许多大负粒时运行时,主面板上的断器院扣一样,图3量示了西数据中心的负载转为100%人工智蝴负临时,峰均比(也称为差舞系数)的型馅温资料来源:施耐德,华泰研究ChatGPT模型训练参数增长量资料来源:LanguageModelsareFew.ShotLeamers、招商证券44、智能算力数据中心具有单地点、全时段、大功率的用电特点,对电力供应稳定性要求更河北、甘肃、宁夏等“东数西算”国家数据中心集群所在省份新能源装机占比已超过50%,新能源大发与用电负荷季节性错配、时段性错配越来越明显,夏季“极热无风”、晚峰“日落无光”,导致新能源出力严重受阻,影响发电能力。虽然数据中心+源网荷储一体化模式可以兼顾绿电和供电稳定性,但对周调节、季调节的长时储能技术经济性要求较高。0功率(兆瓦)2022年6月25日冀北电网新能源出力一负荷一风电万千瓦负荷低谷风大、晚高峰无光万干瓦一负荷一光伏H国网冀北电力有限公司经济技术研究院ITATEc10mcricpoWEcowraYuMITEo三、统筹算力电力协同发展,促进新型电力系统建设、风光绿电消纳和数据中心低碳发展国网冀北电力有限公司经济技术研究院ITATEc10mcricpoWEcowraYuMITEo张家口国家级可再生能源示范区十京津冀枢纽节点张家口数据中心集群电阳内蒙古在话数据中心活西电而送大容量新能源西电而送外送格局在达中O在盗数或中O在盗数或中O在诸器驱中O路东部负荷中心廊坊45个廊坊45个在道数丽中心晒西电东道纵”500千伏西电东道坚强受端网架冀北电网主网架示意图冀北地区数据中心分布三、统筹算力电力协同发展,促进新型电力系统建设、风光绿电消一方面,加强政府、企业、电网等多方沟通协作,科学研判算力发展规模、类型及用电需求,滚动完善数据中心集群所在地能源电力发展规划,适度超前做好新能源场址预留和电网规划建设。“十四五”至今冀北电网以平均每年落地一座220千伏变电站的速度,满足张家口数据中心数据中心集群的用电需求。另一方面,因地制宜开展可再生能源与算力资源融合开发,提升枢纽节点布局与新能源发展规划匹配度,引导数据中心集群向可再生能源资源富集地区布局,依据地区资源禀赋发掘分布式能源、自然冷源等供能新模式,提升本地风光绿电消纳。时间具体内容《关于加领绿色数据中鼓励数据中心直接与可再生能源发电金业开展时间具体内容《关于加领绿色数据中鼓励数据中心直接与可再生能源发电金业开展源绿色电力证书,实现数据中心行业用能的清洁低碳体化大数据中心协同创新体系的指导意见》引导清洁能源开发使用,加快推广应用先进节能技术:推动绿色数据中心建设,加快数据中心节能和绿色化改造。北京市《关于进一步加强数据中心项日节能审鼓励数据中心逐步提高可再生能源利用水平。下,鼓励2021年及以后建成的数据中心,通过自建可再生能源设施、绿色电力交易、认购可再生能源绿色电力证书等方式,逐年提高可再生能源利用比例,在2030年达到100%.ChatGPT年耗电量(亿度/年)火电二氧化碳排放量(kg/度)火电占比风电二氧化碳排放量(kg/度)水电二氧化碳排放量(kg/度)清洁能源二氧化碳平均排放量(kg/度)清洁能源占比清洁能源二氧化碳梅放量(吨/年)二氧化碳排放总量(吨/年)比原有方式减少资料来源:工信部、发改委资料来源:OpenAI、世界核协会三、统筹算力电力协同发展,促进新型电力系统建设、风光绿电消纳和数据中心低碳发展国网冀北电力有限公司经济技术研究院1、加强算力和电力发展规划衔接,统筹兼顾绿色数据中心建设和本地风光绿电消纳长时储能技术路线之一的铁铬液流电池储能电站(500千瓦/4000千瓦时)在张家口怀来云数据中心成功交付,另一技术路线的重力储能项目(100兆瓦时)紧邻怀来数据中心集群,是能源领域首台(套)重大技术装铁铬液流电池储能电站重力储能项目三、统筹算力电力协同发展,促进新型电力系统建设、风光绿电消纳和数据中心低碳发展ITATEG*10mnrcricpowcowraYuMITtoEcoNoMC22、挖掘数据中心集群灵活调节潜力,助力电力供需协同和新型电力系统建设·服务器通过操作系统电源管理、外部PowerCap和软关机·功耗状态之间的切换时间影响应用场景等任务可降低2%-26%功率可降低2%-26%功率33动态调节计算任务立/耦合型计
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