科学简单点：什么是“关键材料” 美国政府定义了多少种？

科学简单点：什么是“关键材料” 美国政府定义了多少种？ 镓，美国政府认定的关键材料之一，因为它在许多重要技术中都有应用。图片来源：Maxim Bilovitskiy, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons.许多关键材料具有独特的性能，因此对先进技术非常重要。例如，有些材料可用于制造非常坚固、紧凑的磁铁，有些材料可加速化学反应，还有一些材料可有效地将电能转化为光能。能源部确定的所有关键材料都是天然元素，没有一种是在实验室中创造出来的。几乎所有这些元素都来自恒星和超新星，只有极少量是通过放射性衰变和其他方式产生的。这意味着地球上的供应就是我们目前所拥有的一切。上图中的镓就是这些关键材料之一。镓用于制造各种电子设备。它常用于 LED 灯泡、智能手机中的通信芯片和高效电源。由于镓十分稀有，因此并不直接开采，而是作为铝制造过程中的副产品生产出来。中国的镓产量占全球产量的 90% 以上，并于 2023 年宣布严格限制这一关键元素的出口。概况我们可以通过英国皇家化学会的在线元素周期表，了解更多有关关键材料和所有元素的信息。这些关键材料包括 17 种稀土金属中除一种之外的所有材料。这些银色金属的化学性质相似。它们之所以被称为"稀有"，部分原因是它们往往同时存在，很难从其他材料中分离出来。由能源部科学办公室支持的研究项目可以降低关键材料的回收成本。欧盟也关注关键材料。在这份来自Politico 的指南中，您可以了解有关其中 12 种材料的更多信息。从太阳能电池板和风力涡轮机到电动汽车充电器和电池，关键材料对清洁能源技术至关重要。这些用途正是能源部密切关注关键材料的原因。根据《两党基础设施法和通货膨胀削减法》，能源部负责监督几项关键计划，以解决关键材料问题。能源部制造和能源供应链办公室（MESC）正在三个资助领域领导工作，即电池制造和回收补助金、电池材料加工补助金和48C 税收抵免计划。MESC 和能源部化石能源与碳管理办公室(FECM) 正在领导稀土元素示范设施的工作。化石能源和碳管理办公室还在利用采矿和工业废料以及其他非常规来源生产和加工稀土元素和其他关键材料。能源部还创建了关键材料创新中心(CMI Hub）。该中心由艾姆斯国家实验室领导，由能源部先进材料与制造技术办公室管理。CMI 正在开展应用研究，以推动技术发展，从而开辟关键材料的新来源、这些材料的替代品以及通过再利用和再循环更好地利用现有材料的方法。该中心还研究新的方法，以促进科学发展、保护环境，并分析关键材料的供应链和经济性。更多有关“关键材料”资源能源部关键矿物和材料计划，包括该计划对这些材料的定义能源部科学办公室的基础能源科学计划，是能源部在关键材料方面的大部分工作的中心。为关键材料奠定科学基础关键材料创新中心能源部关键材料中心DOE关键材料战略报告DOE关于从煤炭和煤炭副产品中回收 REE/CM 的报告美国地质调查局关于关键材料的报告相关文章:科学简单点：什么是超级计算？科学简单点：什么是人工智能？科学简单点：什么是量子力学？科学简单点：什么是水力发电？科学简单点：什么是核能？科学简单点：什么是气候复原力？科学简单点：什么是纳米科学？科学简单点：什么是暗物质和暗能量？科学简单点：什么是 X 射线光源？科学简单点：什么是自主发现？科学简单点：什么是氢能源？ ... PC版： 手机版：

AI 正在“吸干”全球电力？更可怕的事还在后面

AI 正在“吸干”全球电力？更可怕的事还在后面 AI 到底有多费电？科比特称，训练 GPT-6 的微软工程师们正忙着搭建 IB 网络（InfiniBand），把分布在不同地区的 GPU 连接起来。这项工作很困难，但他们别无选择，因为如果把超过 10 万块 H100 芯片部署在同一个地区，电网就会崩溃。为什么这些芯片集中起来会导致电网崩溃的后果呢？让我们来简单算一笔账。英伟达网站上公布的数据显示，每块 H100 芯片的峰值功率为 700W，10 万块 H100 峰值功耗最高可达 7000 万W。而 X 评论区有能源行业从业者指出，10 万块芯片的总能耗将相当于一座小型太阳能或风能发电厂的全部输出。除此之外，还要考虑这么多芯片的配套设施的能耗，包括服务器和冷却设备。这么多耗电设施，集中在一小片区域，给电网带来的压力可想而知。AI 耗电，冰山一角关于 AI 能耗问题，《纽约客》的报道一度引起广泛关注。报道估算，ChatGPT 每日耗电量或超过 50 万千瓦时。实际上，目前AI耗电量虽然看上去是个天文数字，但仍然远远不及加密货币和传统的数据中心。而微软工程师遇到的难题也表明，制约 AI 发展的不仅是技术本身的能耗，还有配套基础设施的能耗，以及电网的承载力。国际能源署（IEA）发布的一份报告显示，2022 年全球数据中心、人工智能和加密货币的耗电量达到 460 TWh，占全球能耗的近 2%。IEA 预测，在最糟糕的情况下，到 2026 年这些领域的用电量将达 1000 TWh，与整个日本的用电量相当。但是，报告同时显示，目前直接投入 AI 研发的能耗远低于数据中心和加密货币。英伟达在 AI 服务器市场中占据约 95%的份额，2023 年供应了约 10 万块芯片，每年耗电量约为 7.3 TWh。但是在 2022 年，加密货币的能耗为 110 TWh，与整个荷兰的用电量相当。图注：2022 年与 2026 年，传统数据中心、加密货币、AI 数据中心的能耗估计值（柱状图从下往上依次展示）。可见，目前 AI 耗电量远低于数据中心和加密货币。图片来源：IEA冷却能耗，不容忽视数据中心的能效通常用能效比（Power Usage Effectiveness）评估，即消耗的所有能源与 IT 负载消耗的能源的比值。能效比越接近于 1，表明数据中心浪费的能源越少。数据中心标准组织 Uptime Institute 发布的报告显示，2020 年全球大型数据中心的平均能效比约为 1.59。也就是说，数据中心的 IT 设备每消耗 1 度电，其配套设备就消耗 0.59 度电。数据中心的额外能耗中，绝大部分应用于冷却系统。一项调查研究显示，冷却系统消耗的能量可达数据中心总能耗的 40%。近些年，随着芯片更新换代，单台设备的功率增大，数据中心的功率密度（即单位面积耗电量）不断提升，对散热提出了更高的要求。但与此同时，通过改进数据中心设计，就能大幅减少能量的浪费。因为冷却系统、结构设计等各方面的差异，不同数据中心的能效比差异很大。Uptime Institute 报告显示，欧洲国家已经把能效比降到了 1.46，而在亚太地区仍有超过十分之一的数据中心能效比超过 2.19。世界各国正在采取措施，敦促数据中心实现节能减排的目标。其中，欧盟要求大型数据中心设立余热回收设备；美国政府注资研发更高能效的半导体；中国政府也出台措施，要求数据中心从 2025 年起能效比不高于 1.3，并将可再生能源使用比例逐年上调，到 2032 年达到 100%。图注：2020 年，全球各地大型数据中心的能效比。从左到右依次为：非洲、亚太地区、欧洲、拉丁美洲、中东、俄罗斯及独联体国家、美国和加拿大。图片来源：Uptime Institute科技公司用电，节流难开源更难随着加密货币和 AI 的发展，各大科技公司的数据中心规模不断扩大。据国际能源署（IEA）统计，在 2022 年美国拥有 2700 座数据中心，消耗了全国用电量的 4%，并预测这一比例到 2026 年将达到 6%。随着美国东西海岸用地越发紧张，数据中心逐步向爱荷华州、俄亥俄州等中部地区转移，但这些二线地区原有的产业并不发达，电力供应可能无法满足需求。一些技术公司尝试摆脱电网的束缚，直接从小型核电站购买电能，但这种用电方式和新建核电站都要面临复杂的行政流程。微软尝试使用 AI 辅助完成申请，而谷歌使用 AI 进行运算任务调度，以提高电网运行效率，降低企业碳排放。至于可控核聚变何时投入应用，目前仍然是未知数。气候变暖，雪上加霜AI 的研发需要稳定而强大的电网支持，但随着极端天气频发，许多地区的电网正在变得更加脆弱。气候变暖会导致更加频繁的极端天气事件，不仅造成用电需求激增，加重电网负担，还会直接冲击电网设施。IEA 报告指出，受干旱、降雨不足和提早融雪的影响，2023 年全球水力发电占比下跌到三十年来的最低值，不足 40%。天然气往往被视为向可再生能源转型过程中的一座桥梁，但它在冬季极端天气下并不稳定。2021 年，寒潮袭击美国得克萨斯州，导致大面积断电，部分居民家中断电超过 70 小时。这次灾难的一个主要原因就是天然气管道冰冻，造成天然气发电厂停摆。北美电力可靠性委员会（North American Electric Reliability Council，简称 NERC）预测，在 2024-2028 年，美国、加拿大有超过 300 万人口面临越来越高的断电风险。为保障能源安全，同时实现节能减排，许多国家也将核电站视为一种过渡措施。在 2023 年 12 月举办的联合国应对气候变化委员会第 28 次峰会（COP 28）上，22 个国家签署联合声明，承诺到 2050 年将核能发电能力提升到 2020 年水平的 3 倍。与此同时，随着中国、印度等国大力推进核电建设，IEA 预测到 2025 年，全球核电发电量将达到历史新高。IEA 报告指出：“在变化的气候模式面前，提高能源多样化、提升电网跨区域调度能力和采取更加抗冲击的发电方式将变得越发重要。” 保障电网基础设施，不仅关系到 AI 技术的发展，更是关乎国计民生。 ... PC版： 手机版：