算能融合——构建全国一体化算力体系的基石

■清华大学信息国家研究中心研究员 曹军威

通用人工智能大发展已经影响到社会经济的方方面面，今年政府工作报告正式提出开展“人工智能+”行动。数据、算法和算力是人工智能实现的三大要素，报告明确指出：“适度超前建设数字基础设施，加快形成全国一体化算力体系。”本文从算力需求出发，以基础设施发展的统一视角，结合绿色计算、云计算、智能电网和能源互联网等技术发展的历史，提出算能融合的必然性，并从能量、信息、业务和价值四个层面详细介绍算能融合的基本理念和典型场景，指出全国一体化算力体系中算能融合理念与实践的核心和基石作用，并总结未来算能融合发展的主要趋势和特点。

以ChatGPT 为代表的通用人工智能开启了人类发展迈向智能化的新时代，数据、算法和算力是人工智能实现的三要素，在可以预见的未来，通用人工智能对算力的要求将呈指数级增长。最近，特斯拉、SpaceX 首席执行官埃隆·马斯克提到：“我从未见过任何技术能比人工智能计算能力的发展更快。人工智能上线的算力似乎每6 个月就会增加10 倍。”他接着提到：“接下来短缺的将是电力。我认为明年，你会看到，没有足够的电力来运行所有的芯片。”近日，英伟达首席执行官黄仁勋强调：“不应仅仅关注计算力，而是需要更全面地考虑能源消耗问题。我们不能只想着算力，如果只考虑计算机，我们需要烧掉14个地球的能源。”同时，近期OpenAl创始人奥特曼也提出了类似的看法，他认为：“未来人工智能技术的发展将高度依赖于能源，特别是光伏和储能技术的进步。”人工智能发展可能引发的能源问题在国际上已经引起了广泛关注。

政府工作报告在深入推进数字经济创新发展方面，提到深化大数据、人工智能等研发应用，开展“人工智能+”行动，这是“人工智能+”首次被写入政府工作报告中。其实今年2月，国务院国资委就召开了“AI 赋能 产业焕新”中央企业人工智能专题推进会，强调中央企业要把发展人工智能放在全局工作中统筹谋划，深入推进产业焕新，加快布局和发展人工智能产业。另外，政府工作报告还首提“全国一体化算力体系”，事实上，去年底国家发展改革委等部门就联合印发了《关于深入实施“东数西算”工程加快构建全国一体化算力网的实施意见》，要求构建跨区域算力调度体系，探索建立跨地区算电融合协同机制。可见算力与能源的融合发展已经在我国引起了高度重视。

发展背景

能源电力是传统基础设施，已经有上百年的发展历史，而计算机互联网的发展只有几十年的历史，真正从基础设施的视角去理解和认识算力还是近二三十年的事情。因此从基础设施的统一视角去认识算能融合的相关理念、场景和应用具有重要意义，可以相互启发，相辅相成共同发展。

基础设施（Infrastructure）一词从20 世纪20年代开始被用作公路、电网、电话、桥梁以及铁路等类似公共设施的总称，为工业经济的发展起到了支撑作用。虽然好的基础架构经常被人忽视，其重要性也只有在出现故障时才能体现出来，但基础设施的确是人类创造出的复杂而昂贵的系统。美国NSF 于2003 年提出了信息基础设施（Cyberinfrastructure,简称CI）的概念，其作为一个新名词主要指基于计算机、信息和通信技术的基础设施。CI对于知识经济的重要性可以与传统基础设施对工业经济的支撑作用相比拟。

基础设施本身具有鲜明的两面性，从内部看基础设施的复杂性必须通过高度专业化的运营管理来解决；而从外部看，用户所获得的往往是方便、便宜、安全、可靠和持久的服务。因此，基础设施的价值往往不在于其本身的昂贵，而更多的应该从其所服务的对象身上去体现，就是所谓的“赋能”。

传统基础设施的概念更偏向能源、交通等类似的物理系统，为工业经济的发展起到了支撑作用。我国在2020年正式提出新型基础设施建设，反映出数字和知识经济时代的新要求，具有鲜明的信息物理融合特征，即在信息基础设施的基础上，发展智慧能源基础设施、智慧交通基础设施等融合基础设施，并鼓励和提倡创新。

信息技术的发展事实上直到近十年才开始具备基础设施实现的可能，比如云计算提供计算和存储等资源的公用性，而数据中心是其基础设施层面的载体；5G 通信会提供无所不在的人和物联网的接入服务，而铁塔基站等构成相应的基础设施等，同时数据中心和铁塔基站的建设又离不开能源电力基础设施的支撑。而本文讨论的算能融合又是这一趋势在人工智能大发展新时代的具体延伸。

历史沿革

算能融合不是一个新理念，其相关技术的发展可以追溯到二三十年前，主要有两方面的发展趋势：一个是从计算技术的发展出发，不断去结合能源电力的消耗、效率和绿色化的问题；另一方面是能源电力技术的发展，尤其是近年来新能源和新型储能的发展，要不断地结合计算机、互联网、物联网和人工智能技术的应用而走向数字化智能化。而类似能源互联网的理念又能够很好地将两个方面从基础设施的视角加以融合，是未来发展算能融合要尤其关注的。算能融合的发展具体分为五个阶段：

最早可以追溯到20 世纪90 年代，信息技术领域面临计算机的硬件软件不能共享的问题，购买一台计算机，其资源、软件、硬件利用率都很低，能不能跟电网（Power Grid）类似，实现计算网格（Computational Grid），将大规模存储和超算等资源通过网络互联实现资源共享、即插即用、按用付费，这实际上是电力和算力在理念上相互借鉴的开始，也是第一个阶段。

第二阶段开始于21世纪初期，当把数据中心看成底层的信息基础设施，我们发现它的运行成本50%以上来源于能源消耗。所以彼时学术界提出了电力感知计算（Power-aware Computing），谷歌和微软等IT企业发现大型数据中心的用电量可以跟一个中小城镇相匹敌的时候，开始研究与电厂和电网等电力基础设施相结合的数据中心能源解决方案。后来进一步提出的绿色计算（Green Computing）的理念，更把计算的高性能与能耗挂钩，提出高能效的重要性。

第三阶段开始于大约15 年前，能源电力系统开始认识到信息技术的重要性，从美国到中国开始发展智能电网，这导致了今天以“云大物移智链”为代表的新一代信息技术在能源电力系统的广泛应用，能源数字化智能化仍然是能源行业转型升级的主要方式。

第四阶段是从10 年前开始，我们总结了能源互联网的理念和技术架构，把底层的信息能源基础设施一体化，自下而上地构建能源基础设施，跟上层智慧能源、信息和价值的分享结合在一起形成一个能源互联网的整体技术架构。能源互联网的发展是第三次工业革命和我国能源革命的重要标志，是我国2015年开始实施“互联网+”计划在能源领域的重要抓手。

第五阶段是近5年来，云计算为代表的信息技术基础设施化已经成型，国家提出构建新型电力系统，数据中心和新能源均纳入新基建范畴。算力的大发展成为新一轮基础设施建设的引擎，类似之前“西电东送”工程，国家推动“东数西算”枢纽节点工程建设的同时，又开始强调全国一体化算力网的建设。这又令人回想起30年前计算网格的初衷（虽然是以超算为主演化为智算为主），回顾历史的螺旋式进步和发展，我们认为，计算与能源的深度融合仍将是未来构建全国一体化算力体系的基石。

基本理念

算能融合理念的总体目标应该始终兼顾智能高效与绿色低碳，不仅关注算力本身的高性能、高效率，还应该从能效的角度出发，同时关注算力对应所消耗的能源属性，比如是否支持绿色低碳发展。主要体现在能量、信息、业务和价值四个层面：

算力负荷与多能互补耦合。在能量层面，算力作为能源系统源网荷储各个环节中的负荷，其空间上的可转移性和时间上的可平移性决定了，在与风光等新能源、电网和新型储能互动实现能量平衡方面，可以发挥一定的耦合作用。

算力网与能源互联网一体。在信息层面，全国一体化算力网的建设应该充分借鉴能源互联网信息能源基础设施一体化理念，甚至可以共用通信、存储和计算等基础设施。

算力调度与能量管理协同。在业务层面，算力调度需要考虑的不仅仅是计算任务的分配和完成，同时应该结合能源互联网能量管理系统(EMS)的要求，EMS 可以利用算力调度实现需求侧管理与响应。

算力市场与能源价值统筹。在价值层面，建立全国一体化算力大市场，应该与具有商品属性的能源电力市场和交易统筹考虑，而能源交易不仅仅是能量本身的交易，还包括绿证交易、碳交易等多方面属性的价值体现。

典型场景

算能融合的典型场景可以体现在建设、运行、平台、应用和市场等多个环节，均表现出算力为能源服务、能源为算力服务的双向作用，达到融合的效果。本文算力主要指支撑人工智能技术发展的智算，而能源主要指代表未来发展方向的新能源和新型储能等。

新能源绿色智算中心建设。在基础设施建设方面，智算中心供能可以通过规划以新能源和新型储能为主体的源网荷储一体化系统来支撑；同时新能源建设本身面临的消纳问题也可以通过智算中心算力负荷来实现。

智算中心冷热电多能互补。在基础设施运行方面，智算中心运行会产生热量，需要解决制冷问题，而通过热量的回收和利用，可以满足周边冷热电多能互补能源系统的能量需求。

一体化信息管理平台实现。在信息平台方面，算力网络和能源互联网运行都有物联、传感、通信、存储、计算和安全等要求，可以重用基础设施和平台加以实现，避免重复开发和浪费。

绿色算力和智慧能源应用。在高级应用方面，绿色算力的实现需要新能源和新型储能的调度来支撑；而智慧能源管理也需要人工智能技术来实现数据驱动的能量管理。

算力、绿电和碳交易结合。在市场交易方面，算力调度如果考虑能量在时间和空间上价值的不同，在满足用户需求的基础上可以实现更好的经济性；绿色低碳本身具备能量交易之外的价值，也可以赋予算力相应的价值属性。

总结展望

人工智能成为发展新质生产力的重要引擎，这决定了在未来一段时期支持人工智能技术的算力网络将大规模发展，并通过“人工智能+”赋能各行各业。全国一体化算力体系涉及的内容比较广泛，包括顶层设计、政策制度、技术体系、标准规范、市场环境等诸多方面，而以算能融合理念为核心基石，其发展会呈现以下趋势和特点：

互联互通。在网络互联互通的基础上，要实现算力和应用互联互通，将增强对能源互联的需求，进一步推动信息能源基础设施一体化。

基础制度。数据确权、共享、交易、安全等基础制度的不断完善，会大力促进能源数字化智能化的发展。

技术创新。通用人工智能引发新一轮技术革命，将深刻影响甚至颠覆传统能源系统从设计、建设、运行到运营各个环节，真正形成新质生产力，推动能源行业转型升级焕新。

标准规范。算能融合将催生新一轮跨界标准规范的制定和实施，传统专业化的知识壁垒将不复存在，跨领域合作协同将无处不在。

市场环境。数据和算力的发展将逐步形成全国统一算力大市场，而能源电力体制改革和市场化交易的推进也处于关键阶段，两者可以互相促进。■