驱动革命的动力：美国万亿美元AI基础设施建设中的供应链瓶颈分析
执行摘要
本报告对美国人工智能（AI）产业面临的关键挑战进行了深入分析。报告的核心论点是：美国AI产业的指数级增长轨迹，正与其国内及盟友重工业基础的线性（甚至在某些领域出现衰退）产能发生激烈碰撞。尽管巨额资本正涌入AI计算基础设施，但为其提供动力的基础能源和输电系统却受到数十年形成的严重瓶颈制约。报告将重点揭示大型电力变压器（LPT）供应链的极端脆弱性、关键核电部件国内制造能力的几近丧失，以及保护主义贸易政策和结构性技术劳工短缺带来的系统性风险。本报告断言，如果美国不立即实施一项针对这些基础工业领域的、目标明确的国家产业战略，其AI基础设施建设的进度、成本乃至最终成功都将面临重大威胁。
第一章：AI革命带来的空前电力需求
本章旨在量化AI带来的能源挑战，并将其定位为引发基础设施危机的首要驱动力。报告将超越“高需求”的抽象概念，通过具体的数据预测，揭示所需基础设施建设的庞大规模。
1.1 量化AI的电力激增
通过分析和综合多方预测，本报告将全面描绘即将到来的能源需求图景。高盛研究部预测，到2030年，全球数据中心的电力需求将比2023年增长165% 1。国际能源署（IEA）则预计，到2030年，全球数据中心的年耗电量将翻一番，达到约945太瓦时（TWh）2。
具体到美国，情况同样严峻。2023年，美国数据中心的耗电量约为176 TWh，占美国总用电量的4.4%。有预测显示，到2028年，这一数字可能翻倍甚至增至三倍，届时将占到美国总用电量的12% 3。美国能源信息署（EIA）预测，到2050年，商业计算用电将从2024年占商业部门总用电量的8%增长到20%，成为最大的单一终端用途 6。
这种集中且快速的需求增长在美国电网历史上是前所未有的。过去十多年，美国电网的负荷增长相对平稳。如今，从渐进式增长到指数级增长的转变，对一个为稳定和逐步扩张而设计的系统构成了巨大冲击。
1.2 万亿美元的投资势头
本节将详细阐述为AI“军备竞赛”提供资金的巨额资本投资，揭示正在挑战电网物理极限的经济力量。诸如OpenAI、甲骨文和软银参与的“星际之门”（Stargate）项目，计划投入高达5000亿美元建设AI基础设施，目标是实现10吉瓦（GW）的数据中心容量 7。与此同时，阿里巴巴已承诺一项为期三年、价值530亿美元的AI基础设施计划，并指出未来五年全球AI总投资可能超过4万亿美元 8。
这些数据表明，金融资本已准备就绪，并正在大规模部署。核心挑战并非数据中心缺乏资金，而是数字投资的速度与建设底层实体电力基础设施的缓慢、复杂过程之间存在根本性的不匹配。
“投机性需求”悖论
尽管各大机构的预测普遍看好，但也有观点认为这些预测可能被夸大了。南部环境法中心（SELC）委托的一份报告指出，预测的数据中心需求是“投机性的——如果不是完全不切实际的话”。该报告称，仅美国市场77%的预测需求，就将消耗掉到2030年全球芯片供应量的90% 10。
这给公用事业公司和电网运营商带来了一个规划上的两难困境。首先，像高盛这样的金融公司和OpenAI这样的科技巨头预测电力需求将呈指数级增长，这推动了投资和公用事业规划 1。然而，关键投入（如高性能芯片）的全球供应存在物理限制，可能使这些增长预测在规定时间内无法实现 10。公用事业公司正面临压力，需要根据这些可能被夸大的需求预测来建设大规模的新天然气发电厂和输电线路 10。
这就产生了一个显著的“需求泡沫”风险。如果AI的能效提升速度超出预期，或者其商业化进程令人失望，预测的能源需求可能无法实现。这将导致公用事业公司和纳税人承担未被充分利用的、碳密集型基础设施的成本。这里的核心冲突在于科技行业的炒作周期与能源行业漫长且资本密集的规划周期之间的矛盾。过度建设可能导致资产搁浅和消费者成本上升，而建设不足则可能扼杀经济增长。
表1：美国数据中心电力需求增长预测（2023-2028年）
| 年份 |
美国总耗电量 (TWh) |
数据中心耗电量 (TWh) |
数据中心占比 (%) |
数据来源 |
| 2023 |
~4,000 |
176 |
4.4% |
|
LBNL/DOE, CRS 3
| 2028 (低预测) |
- |
325 |
~6.7% (估算) |
|
LBNL/DOE 5
| 2028 (高预测) |
- |
580 |
~12.0% (估算) |
|
LBNL/DOE 5
| 2030 (全球增长率应用于美国) |
- |
~466 (基于165%增长) |
- |
|
Goldman Sachs 1
第二章：四大电力支柱：关键部件供应链评估
本章是报告的核心分析部分，将对“四大件”的供应链脆弱性进行深入调查。
表2：美国关键AI基础设施部件的进口依赖度
| 关键部件 |
估算美国国内产能 |
估算进口依赖度 (%) |
主要外国供应国 |
| 燃气轮机 |
存在主要国内制造商（GE Vernova），但市场高度集中 |
未量化，但依赖全球寡头市场 |
德国、日本 |
| 核反应堆压力容器 |
无法制造大型锻件 |
接近100% |
韩国、日本、法国 |
| 大型电力变压器 (LPT) |
产能严重不足 |
>80% (按MVA计算) |
墨西哥、韩国、奥地利、加拿大 |
| 晶粒取向电工钢 (GOES) |
仅一家制造商，无法满足需求 |
极高 |
加拿大、墨西哥 |
2.1 燃气轮机：一个高度集中的全球市场
重型燃气轮机的全球市场是一个由三家公司主导的寡头市场：GE Vernova、西门子能源和三菱电力。这三家公司合计占有当前在建电厂中近三分之二的燃气轮机份额 11。
尽管美国是天然气的净出口国 12，但将天然气转化为电力的关键硬件却来自这个高度集中的全球市场。GE Vernova是一家总部位于美国的主要参与者，拥有重要的国内制造能力，并计划投资近6亿美元扩建其美国工厂 11。然而，其主要竞争对手西门子（德国）和三菱（日本）均为外资企业，即使是国内生产也依赖于全球子供应链。
随着公用事业公司急于通过可调度电力来满足数据中心的预期需求，对天然气的依赖正在增加。仅美国南部的垄断性公用事业公司就计划新建43,000兆瓦的天然气发电厂 10。这种大规模的建设将需求直接导向这三家占主导地位的涡轮机制造商，从而可能造成瓶颈和定价权问题。
这种局面揭示了美国能源独立背后的一种假象。虽然美国因其巨大的天然气产量而自诩能源独立，但这种说法掩盖了其在关键硬件上的依赖性。能够生产燃料，若没有能力制造燃烧燃料的发动机，则毫无意义。美国作为天然气的净出口国，是其“能源独立”的一个关键指标 12。然而，将天然气转化为电网规模电力的主要技术是重型燃气轮机 14。而这项关键技术的市场是一个由全球仅三家公司组成的寡头垄断市场 11。因此，美国的“能源独立”是有条件的，它依赖于一个高度专业化设备的稳定、正常的全球市场。任何影响这三家主要原始设备制造商之一的干扰——无论是地缘政治紧张、自然灾害还是其自身的供应链问题——都可能导致为AI供电所需的新电厂建设停滞，无论国内天然气供应多么充足。这并非真正的独立，而是将依赖从外国燃料来源转向了外国（或全球供应的）技术提供商。
2.2 核电部件：一项失落的国内能力
自20世纪80年代以来，北美制造重型核电部件的能力已严重退化 16。美国已不再具备生产现代第三代加（Gen III+）反应堆（如AP1000）所需的大型锻件的国内能力。这种能力现在主要集中在日本（日本制钢所）、中国、法国和俄罗斯 16。
以Vogtle核电站3号和4号机组为例，这是美国30多年来首次新建的核电机组 17。虽然反应堆设计师是总部位于美国的西屋公司（Westinghouse）19，但关键的重型部件必须从全球采购。韩国的斗山重工业与建设公司（Doosan Heavy Industries & Construction）获得了包括Vogtle在内的美国AP1000项目的反应堆压力容器和蒸汽发生器的合同 22。美国核管理委员会（NRC）的检查报告证实了斗山在为Vogtle 3号机组制造这些关键安全相关部件中的作用 24。
这表明一项关键的国家主权能力已完全被掏空。这个开创了核能时代的国家，现在必须从外国供应商那里进口其最新反应堆的核心部件。重建这种能力将需要巨大的投资和数十年的时间来重新认证复杂的供应链和劳动力。
随着AI的能源需求促使决策者重新考虑将核电视为无碳基荷能源，这种制造能力的丧失成为一个重大的地缘政治漏洞。未来的美国核电建设将从根本上依赖少数几个国家的工业能力。首先，AI正驱动对清洁、可靠、全天候电力的巨大需求 1。核能是唯一能够大规模满足这一需求且不产生碳排放的技术之一。然而，美国已经失去了制造新核电厂最关键部件的能力 16。Vogtle 3号和4号机组的建设提供了这一依赖性的具体证据，其反应堆压力容器和蒸汽发生器由韩国斗山公司制造 22。因此，未来任何为AI供电的美国大规模核电扩张，都必然是一个国际项目。这使得美国的能源基础设施依赖于供应国的对外政策和工业健康状况，这与冷战时期美国核技术作为其自身治国工具的地位相比，是一个深刻的转变。
2.3 大型电力变压器（LPT）：电网的“阿喀琉斯之踵”
在大型电力变压器（LPT）方面，美国严重依赖进口，超过80%的需求（按兆伏安MVA计算）由外国满足 25。主要供应国包括墨西哥、韩国、奥地利和加拿大 25。2023年，美国在电力变压器方面的贸易逆差高达215亿美元 26。
交付周期已从2020年的几个月急剧延长到一年以上，某些情况下甚至长达四年，价格上涨了400%甚至更多 27。这一点已得到行业协会和政府报告（如GAO、CRS）的证实 27。
国内LPT生产的核心瓶颈在于缺乏高级别晶粒取向电工钢（GOES）的国内产能，这是制造变压器铁芯的专用材料。美国商务部2020年的一项调查发现，某些等级的GOES“国内生产能力不足或没有” 27。能源部2022年的一份报告指出，美国只有一家GOES制造商，且无法满足国内需求 27。
LPT是电网中不可替代的节点，超过90%的消耗电力都会经过它们 32。它们的故障可能导致大面积停电。交付周期长、进口依赖度高以及国内原材料瓶颈的结合，使得LPT供应链成为整个AI基础设施建设中最严重的单一漏洞。
这种对外国LPT和GOES的极端依赖不仅仅是一个经济或后勤问题，而是对国家安全的直接威胁。美国商务部的232条款调查明确地指出了这一点 30。首先，电网被指定为关键的国家基础设施 32。LPT是该电网中必不可少且不可替代的组件 32。美国超过80%的LPT依赖进口，并且缺乏生产核心材料GOES的国内能力 25。这造成了美国电网的物理完整性依赖于外国制造和供应链的局面。这种依赖性带来了多种威胁：可能植入恶意硬件/软件、在地缘政治冲突期间切断供应，或受到供应国的经济胁迫。因此，LPT供应链问题已超越经济范畴，成为首要的国家安全漏洞。
2.4 钢铁：基础性制约
美国国内的钢铁生产与消费之间存在着持续的结构性差距，使其依赖进口来满足需求 33。建筑业消耗了美国47%的钢铁，使其极易受到价格波动和供应中断的影响 33。
在截至2025年9月20日的一周内，美国国内粗钢产量为175.4万净吨，产能利用率为77.4% 34。尽管产量同比略有增长，但远低于100%的利用率表明，产能并非唯一问题，成本是进口的主要驱动因素。
数据中心、新发电厂和输电线路等大规模建设项目需要大量的钢铁。对进口的依赖（由外国钢铁的低成本驱动）使这些项目暴露在全球市场的波动性以及至关重要的美国贸易政策之下。
美国的钢铁贸易政策与其AI基础设施目标之间存在直接冲突。通过征收关税（如50%的232条款关税）来保护国内生产商，政府同时提高了其自身战略基础设施优先事项的基础投入成本 31。这一政策迫使项目开发商陷入两难境地：要么为国内钢铁支付更高的价格（如果可得），要么为进口钢铁支付关税。无论选择哪种方式，都会导致预算大幅增加和潜在的延误。这是一个政策目标相互冲突，造成“自伤”的典型案例。
第三章：交叉性干扰因素：关税与劳动力
本章探讨了两个系统性风险，它们如同“威胁倍增器”，加剧了第二章详述的特定部件脆弱性。
3.1 关税钢丝绳：在保护主义与项目可行性之间寻求平衡
特朗普政府已根据232条款大幅提高了对钢铁和铝的关税，目前对含有非美国产钢铝部件的变压器征收50%的关税 31。这一政策已扩展至更广泛的衍生产品 31。
其直接的财务影响是巨大的。对于数十亿美元的能源项目而言，仅钢铝关税导致的3-6%的预算增长就可能意味着数亿美元的额外成本 37。
对此，由电气制造商（NEMA）、承包商和公用事业公司组成的联盟已公开反对这些关税，并向商务部警告称，这些关税通过延误关键基础设施项目、危及数据中心和半导体工厂的扩张以及损害电网韧性，从而破坏了国家目标 31。
本节将分析贸易政策与项目成本/时间表之间的直接因果关系。对GOES和其他特种钢征收的关税直接增加了国内制造变压器的成本，而对成品变压器征收的关税则增加了进口成本。这为公用事业公司和开发商创造了一个“双输”局面，即每一种采购选择都变得更加昂贵且充满不确定性。
3.2 人力基础设施赤字：迫在眉睫的劳动力危机
AI基础设施的建设面临着严重的技术劳工短缺。在高增长情景下，预计到2030年，在基线增长之外，还需要超过14万名技术工人，其中包括约37,000名电工、15,000名焊工和25,000名管道工 38。
这种需求激增正冲击着一个本已紧张的市场。美国总承包商协会（AGC）2025年的劳动力调查发现，92%的公司难以找到合格的候选人，45%的公司正因工人短缺而经历项目延误 39。
人口结构问题加剧了这一困境。近五分之一的建筑工人年龄在55岁或以上，中位年龄为42岁。预计在AI基础设施项目需求达到顶峰时，将出现一波退休潮 38。
尽管美国劳工统计局（BLS）预测这些职业将实现总体增长，但预计的职位空缺（例如，焊工每年约45,600个）主要是为了替代退休工人，而不是满足AI带来的巨大新增需求 41。
没有电工、焊工和管道工，数据中心就无法建成、布线或冷却 38。这种劳动力短缺不是次要问题，而是AI建设物理执行的首要、决定性制约因素。
技术劳工短缺不仅是建筑业的问题，也是制造业的问题。建造数据中心所需的焊工、电工和技术人员，同样也是制造变压器、开关设备和其他电网组件的工厂所需要的。旨在重振制造业的努力将与建筑业争夺同一个有限的技术劳工资源池，形成一个恶性循环，即解决一个瓶颈会加剧另一个瓶颈。首先，技术行业（如焊工和电工）存在着有据可查的严重短缺 38。这些行业对于数据中心和发电厂的
建设至关重要 38。同时，这些行业对于变压器和核部件等重工业设备的
制造也同样重要，因为这涉及到精密焊接、电气组装等 42。美国的政策旨在增加这些设备的国内制造 43。因此，建筑业和制造业将为稀缺的熟练劳动力资源展开直接竞争。一项成功的变压器制造业回流计划可能会将焊工从数据中心建筑工地吸引走，从而减缓这些项目的进度。反之，建筑工地的高薪可能使工厂更难招到员工。这在整体产业战略中造成了内部矛盾。
表3：AI基础设施建设预计技术劳工短缺情况（至2030年）
| 职业 |
低增长情景（新增需求） |
中增长情景（新增需求） |
高增长情景（新增需求） |
| 电工 |
~19,000 |
~26,000 |
~37,000 |
| 暖通/管道工 |
~12,000 |
~16,000 |
~25,000 |
| 焊工 |
~9,000 |
~13,000 |
~15,000 |
| 重型设备操作员 |
~10,000 |
~14,000 |
~20,000 |
| 建筑工人 |
~23,000 |
~32,000 |
~45,000 |
| 总计 |
~74,000 |
~102,000 |
>140,000 |
数据来源：基于CSIS的预测 38
第四章：战略应对：政策、投资与国际对标
本章评估了当前美国为缓解这些瓶颈所采取战略的有效性，并对战略竞争对手和盟友采取的方法进行了比较分析。
4.1 美国的产业政策应对：《通胀削减法案》、《芯片法案》与电网现代化
美国政府已出台一系列政策以应对这些挑战。《通胀削减法案》（IRA）为满足钢铁、铁和制成品国产化要求的清洁能源项目提供额外的税收抵免 46。它还为美国制造的电池、太阳能电池板和风力涡轮机等组件提供先进制造业生产抵免，并通过贷款项目办公室（LPO）为能源基础设施改造提供了大量贷款授权 47。
《芯片与科学法案》（CHIPS Act）提供了527亿美元，用于支持国内半导体制造和研发 49。虽然该法案主要关注芯片，但其任务包括加强供应链韧性，这对更广泛的技术生态系统（包括能源部门对电网控制半导体的依赖）具有重要意义 51。
此外，政府还通过“电网韧性与创新伙伴关系”（GRIP）项目等直接行动为电网现代化提供资金 45，并利用《国防生产法》增加国内变压器产量 27。私营部门的投资也随之而来，例如日立公司计划投资10亿美元扩大其在美国的电网组件制造，包括在弗吉尼亚州新建一个LPT工厂 44。
本节将分析这些政策是否足够且目标明确。虽然这些政策意义重大，但它们是否解决了重工业中最关键的上游瓶颈，还是主要集中在高科技和下游组装环节？
表4：支持国内能源基础设施制造业的美国关键联邦举措
| 举措/法案 |
关键条款 |
目标组件 |
主管机构 |
| 《通胀削减法案》(IRA) |
国内含量奖励抵免，§48C制造业抵免 |
清洁能源组件，电池，电网设备 |
财政部/国税局，能源部 |
| 《芯片与科学法案》(CHIPS) |
直接资金，研发支持 |
半导体，供应链韧性 |
商务部 |
| 《国防生产法》(DPA) |
授权增加国内生产 |
大型电力变压器 |
能源部 |
| 电网韧性与创新伙伴关系 (GRIP) |
拨款用于电网现代化 |
输配电系统 |
能源部 |
4.2 国际对策：中国的自力更生与欧洲的数据主权
中国的战略是通过国家主导的全面战略实现技术自力更生。它已完全实现了从设计到制造的核技术国产化 55，目前是全球扩张最快的核电生产国，其反应堆建设周期约为五年，成本远低于西方项目 56。该战略旨在确保国内能源供应，并使中国成为能源技术的主要出口国 59。阿里巴巴的AI战略包括与国内半导体单位合作，以减少对外国供应商的依赖 9。
欧盟则专注于创建一个“单一数据市场”以确保“数据主权” 61。其战略包括《数据法案》和《数据治理法案》等立法，并结合对联合、可信的云基础设施的投资 61。欧盟的方法也具有很强的监管性，例如NIS 2指令要求包括数字基础设施在内的关键基础设施实施严格的网络安全和供应链风险管理，以减少对单一外国供应商的依赖 62。
这种比较分析为理解美国的情况提供了关键背景。中国的国家主导产业政策模式与美国更为市场驱动、基于激励的方法形成了鲜明对比。欧盟对监管和数据主权的关注则凸显了不同的优先事项。这种比较将有助于更细致地评估美国应对措施的优缺点。
对美国政策的分析，与第二章中揭示的脆弱性相比，显示出一种关键的战略错位。《通胀削减法案》和《芯片法案》严重偏向于激励下一代技术（半导体、电池、太阳能），而忽视了基础性的、传统重工业（锻造、特种钢、大型机电制造），而后者才是当前最直接的瓶颈。第二章确定了最严重、最紧迫的瓶颈在于“旧经济”领域：用于核反应堆的大型锻件 16、大型电力变压器 27 和晶粒取向电工钢 30。而美国的旗舰产业政策《通胀削减法案》和《芯片法案》主要集中在半导体、电池、电动汽车和可再生能源发电组件上 46。尽管能源部有一些针对变压器的更具针对性的小型项目 27，但其资金规模和政治关注度远不及芯片和电池。因此，存在一个战略缺口。这些政策未能充分解决最关键、限制性的制约因素。美国正在激励建设电动汽车电池厂和数据中心，但并未同时发起相应规模的国家级努力来重建制造为它们供电所需的大型变压器和电网组件的能力。美国正试图在一个摇摇欲坠的工业基础上建造一个高科技的上层建筑。
第五章：结论与战略建议
本章将综合报告的发现，提出一个连贯的结论，并为政策制定者和行业利益相关者提供具体、可行的建议。报告将重申，AI革命的主要障碍不是创新或资本，而是工业世界的物理限制。
5.1 调查结果总结
报告的核心发现可概括为：大型电力变压器供应链危机、核能重型制造业的丧失、技术劳工的系统性短缺，以及对关键工业投入品征收的广泛关税所产生的反作用。
5.2 对政策制定者的建议
-
启动“重工业国家冠军”计划： 超越宽泛的激励措施，创建一个有针对性的计划，可能更大规模地利用《国防生产法》，直接资助重建GOES生产和大型锻压机等关键能力。
-
建立战略变压器储备： 重新审视并资助能源部关于建立LPT战略储备的计划，以减轻自然灾害或攻击带来的风险，为国内产能重建提供关键缓冲 27。
-
改革技术移民和教育： 为焊工和电气工作等行业设立“关键技能签证”类别，以解决眼前的短缺问题，同时仿照二战后的举措规模，对职业和技术教育进行大规模联邦投资。
5.3 对行业利益相关者的建议
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垂直整合与长期承购协议： 超大规模数据中心和大型能源消费者应超越传统采购模式，考虑直接投资于制造能力（例如，共同出资建设新的LPT工厂），并签署长期、大批量的承购协议，以降低国内新增产能的风险。
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组建国家AI基础设施劳动力联盟： 科技公司、公用事业公司和建筑公司应共同创建并资助一个全国性联盟，致力于扩大实习项目规模，为数据中心特定技能提供标准化培训，并直接资助教师薪资和培训设施。
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标准化组件设计： 与制造商和标准机构合作，推动LPT和其他电网组件设计的更大程度标准化，以减少定制化、缩短制造时间，并实现更有效的备件共享。
作者： 财联社 潇湘|
发布时间：2025-09-25 10:25:44
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