文｜猛犸
今天我们常说的人工智能（AI），主要指的都是生成式人工智能。其中一大部分，是基于大语言模型的生成式AI。而让各种AI运转起来的服务器就是电子计算机，虽然计算机中处理的只是信息，但运转却需要大量能源。
比如，仅仅是ChatGPT-4的GPU（计算机显卡的核心部件，负责执行复杂的数学和几何计算，用于渲染图像、视频和其他图形内容，也用于AI的训练和推理)，训练一次就会用去2400万度电。
AI带来的能源问题已经显现。
一个被证实的原理——处理信息需要消耗能量
1961年，在IBM公司工作的物理学家拉尔夫·兰道尔提出了后来被称为“兰道尔原理”的理论。这一理论认为，计算机中存储的信息在发生不可逆的变化时，会向周围环境散发一点点热量，其散发的热量和计算机当时所处的温度有关——温度越高，散发的热量越多。
兰道尔原理连接起了“信息”和“能量”，简单地说，就是信息处理操作，会导致物理世界中熵（热力学中表征物质状态的参量之一）的增加，从而消耗能量。
这一原理自提出以来曾遭受过不少质疑。但是近年来，兰道尔原理已被实验证明。
2012年，《自然》杂志上发表了一篇文章，研究团队首次测量到了一“位”（bit，是计算机中最基本的信息单位，它可以表示二进制的0或1）数据被删除时释放的微量热量。后来又有几次独立实验，都证明了兰道尔原理。所以，处理信息是有能量成本的。现在的电子计算机在计算时实际消耗的能量，甚至是这个理论值的数亿倍。
大语言模型需要大量计算。它的工作过程大致可以分为训练和推理两个阶段。无论是训练还是推理，都是一连串信息重组的过程，因此都遵循兰道尔原理。于是我们不难推知，模型的参数量越大，需要处理的数据越多，所需的计算量就越大，所消耗的能量也就越大，释放的热量也就越多。
AI的能耗更多还是来自电流
科学家们一直在努力寻找更高效的计算方法，以降低成本。不过从目前的研究进展情况来看，也许只有真正的室温超导材料能广泛应用于计算设备时，才有可能降低这种消耗。
而这还只是AI耗电中微不足道的一小部分。更大的消耗则来自电流。
今天的电子计算机建立在集成电路的基础上。我们通常把集成电路叫做芯片，每个芯片中，又有许多晶体管。不严格地描述，晶体管可以理解成微小的开关。这些开关串联或者并联在一起，就可以实现逻辑运算。
“开”和“关”是表示两种状态，也就是所谓的1和0，就是计算的基本单位“位”。它是计算机二进制的基础。而计算机通过快速改变电压，来拨动这些开关；改变电压，需要电子流入或流出；电子的流入流出，就构成了电流；又因为在电路中总是有电阻，就产生了热能。这个过程中产生的热量与电流的平方成正比，与导体电阻成正比，与通电时间成正比。
集成电路技术发展到今天，芯片中的晶体管已经变得极小。所以，单个晶体管所产生的热量并不会太高。但问题是，如今芯片上的晶体管实在是已经多到了常人无法想象的程度——比如，在IBM前几年发布的等效2纳米制程芯片中，每平方毫米面积上，平均有3.3亿个晶体管。
再小的热量，乘上这个规模，结果也一定相当可观。
一个可能让人大跌眼镜的事实是，今天芯片单位体积的功率，比太阳核心的功率还多出好几个数量级——典型的CPU芯片功率大概是每立方厘米100瓦，即每立方米1亿瓦；而太阳核心的功率只有每立方米不到300瓦。
在OpenAI公司训练大语言模型ChatGPT-4时，完成一次训练需要约三个月时间，要使用大约25000块“英伟达A100 GPU”，每块GPU都拥有540亿个晶体管，功耗400瓦，每秒钟可以进行19.5万亿次单精度浮点数的运算，每次运算又涉及许多个晶体管的开关。
仅仅是这些GPU，一次训练就要用掉2400万度电。这些电能最后几乎全部转化成了热能，而这些能量可以将大约20万立方米冰水——大概是100个奥运会标准游泳池的水量——加热到沸腾。
AI发展带来的能源短缺问题已开始浮现
为什么AI需要用这么多的强大GPU来训练？因为大语言模型的规模实在太大。
ChatGPT-3模型已拥有1750亿参数，而据推测，ChatGPT-4拥有1.8万亿参数，是ChatGPT-3的十倍。要训练这种规模的模型，需要大量计算。这些计算最终会表现为晶体管的开开关关，和集成电路中细细的电流——以及热量。
而能量无法创造也无法消灭，它只能从一种形式转化成另一种形式。对于电子计算机来说，它主要是在将电能转化成热能。大语言模型也是如此，它对电能和冷却水的需求，正带来越来越严重的环境问题。
早前，有微软公司的工程师曾透露，为了训练ChatGPT-6，微软和OpenAI建造了巨大的数据中心，将会使用10万块“英伟达H100 GPU”——其性能比“英伟达A100 GPU”更强，当然功耗也更大。其中一个关键信息是，这些GPU不能放在同一个州，否则会导致电网负荷过大而崩溃。
在今年的达沃斯世界经济论坛上，OpenAI的CEO山姆·阿尔特曼认为，核聚变可能是能源的发展方向。但要开发出真正可用的核聚变技术，可能还需要一些时间。
水资源的问题也是一样。过去几年，那些在AI大模型领域先行一步的大企业们，都面临水消耗大幅增长的局面。2023年6月，微软公司发布了2022年度环境可持续发展报告，其中用水一项，有超过20%的显著增长。谷歌公司也类似。
有研究者认为，AI的发展，是这些科技巨头用水量剧增的主要原因——要冷却疯狂发热的芯片，水冷系统是最常见的选择。所以我们说，为AI提供硬件基础的数据中心，如同一个巨大的“电热水器”。
所以，AI发展带来的能源短缺问题，已经开始浮现。
如何让这些散失的热能不至于白白浪费？最容易想到也容易实现的，是热回收技术。比方说，将数据中心回收的热量用于提供民用热水，冬季提供民用采暖。现在有一些企业已经着手在回收废热再利用了，例如中国移动哈尔滨数据中心、阿里巴巴千岛湖数据中心等。
但这并不能从根本上解决问题。
AI产业的发展速度之快，在人类历史上没有任何产业能与之相比。平衡AI技术的发展与环境的可持续性，可能会是我们未来几年的重要议题之一。
技术进步和能源消耗之间的复杂关系，从来没有这么急迫地出现在人类面前。
本文由科普中国-星空计划出品，来源于微信公众号“返朴”（ID：fanpu2019）
