Podělte se o své znalosti a staňte se lektory! Napište nám a začněte tvořit vlastní online kurzy.

Mnohostranná výzva napájení umělé inteligence

Sdílet na sociálních sítích:
Napsal: Jan Kubice
Věda a technologie

Rostoucí spotřeba energie datovými centry zatěžuje energetické sítě, zvyšuje ceny a zpomaluje přechod na čistou energii.

Obrázek novinky

Mnohostranná výzva napájení umělé inteligence

Umělá inteligence se stala nepostradatelnou v obchodu, financích, zdravotnictví, technologickém vývoji, výzkumu a mnoha dalších oblastech. Bez vědomí spotřebitelů se na ni spoléhají při streamování videí, online bankovnictví nebo vyhledávání na internetu. Za těmito možnostmi stojí více než 10 000 datových center po celém světě, každé z nich je obrovský sklad obsahující tisíce počítačových serverů a další infrastrukturu pro ukládání, správu a zpracování dat. Jen ve Spojených státech je nyní přes 5 000 datových center a denně vznikají nová – v USA i po celém světě. Často jsou desítky center shluknuty blízko obytných oblastí, lákány politikami poskytujícími daňové úlevy a další pobídky a zdánlivě dostatkem elektřiny.

Datová centra spotřebovávají obrovské množství elektřiny. V roce 2023 spotřebovala datová centra v USA více než 4 % celkové spotřeby elektřiny v zemi a podle Electric Power Research Institute by se tento podíl do roku 2030 mohl zvýšit na 9 %. Jedno velké datové centrum může spotřebovat tolik elektřiny jako 50 000 domácností.

Náhlá potřeba tolika datových center představuje obrovskou výzvu pro technologický a energetický průmysl, vládní politiky i běžné spotřebitele. Vědečtí pracovníci a fakultní členové MIT Energy Initiative (MITEI) zkoumají mnoho aspektů tohoto problému – od získávání energie přes zlepšení sítě až po analytické nástroje zvyšující efektivitu a další. Datová centra se rychle stala energetickým problémem dneška.

Neočekávaná poptávka přináší neočekávaná řešení

Několik společností, které používají datová centra k poskytování cloudových výpočtů a služeb správy dat, oznamuje překvapivé kroky k zajištění veškeré potřebné elektřiny. Mezi návrhy patří výstavba vlastních malých jaderných elektráren v blízkosti datových center a dokonce i opětovné spuštění jednoho z nepoškozených jaderných reaktorů ve Three Mile Island, který je mimo provoz od roku 2019. (Jiný reaktor v této elektrárně částečně roztavil v roce 1979, což způsobilo nejhorší jadernou nehodu v zemi.) Potřeba energie pro umělou inteligenci již nyní způsobuje zpoždění plánovaného ukončení provozu některých uhelných elektráren a zvyšuje ceny pro domácí spotřebitele. Uspokojování potřeb datových center nejen zatěžuje energetické sítě, ale také brzdí přechod na čistou energii potřebnou k zastavení klimatických změn.

Z hlediska energie existuje mnoho aspektů problému datových center. Zde jsou některé, na které se zaměřují výzkumníci z MIT a proč jsou důležité.

Bezprecedentní nárůst poptávky po elektřině

„V minulosti nebyly výpočty významným spotřebitelem elektřiny,“ říká William H. Green, ředitel MITEI a profesor Hoyt C. Hottel na MIT Katedře chemického inženýrství. „Elektřina se používala k provozu průmyslových procesů a napájení domácích spotřebičů, jako jsou klimatizace a světla, a v poslední době k napájení tepelných čerpadel a nabíjení elektromobilů. Ale nyní se najednou elektřina používaná pro výpočty obecně a datovými centry obzvláště stává gigantickou novou poptávkou, kterou nikdo nepředvídal.“

Proč chyběla předvídavost? Poptávka po elektrické energii obvykle roste přibližně o půl procenta ročně a energetické společnosti zavádějí nové generátory energie a provádějí další investice tak, aby uspokojily očekávanou novou poptávku. Datová centra, která se nyní otevírají, však vytvářejí bezprecedentní skoky v poptávce, které provozovatelé nepředvídali. Kromě toho je nová poptávka konstantní. Je nezbytné, aby datové centrum poskytovalo své služby po celý den, každý den. Nesmí docházet k přerušení zpracování velkých datových souborů, přístupu k uloženým datům a provozu chladicího zařízení potřebného k udržení neustálého provozu všech hustě seskupených počítačů bez přehřátí.

Navíc i když se vygeneruje dostatek elektřiny, její doprava tam, kde je potřeba, může být problém, vysvětluje Deepjyoti Deka, vědecký pracovník MITEI. „Síť je celonárodní operace a provozovatel sítě může mít dostatečnou generaci na jiném místě nebo dokonce jinde v zemi, ale vedení nemusí mít dostatečnou kapacitu k přepravě elektřiny tam, kde je požadována.“ Kapacita přenosu musí být rozšířena – a jak říká Deka, to je pomalý proces.

A pak je tu „řada na připojení“. Někdy může přidání nového uživatele („zatížení“) nebo nového generátoru do existující sítě způsobit nestability nebo jiné problémy pro všechny ostatní, kteří jsou již na síti. V takové situaci může být uvedení nového datového centra do provozu zpožděno. Dostatek zpoždění může vést k tomu, že nová zatížení nebo generátory se musí zařadit do fronty a čekat na svou řadu. V současné době je velká část fronty na připojení již obsazena novými solárními a větrnými projekty. Zpoždění je nyní asi pět let. Uspokojení poptávky nově instalovaných datových center a zároveň zajištění, aby nebyla ohrožena kvalita služeb jinde, je problém, který je třeba řešit.

Hledání čistých zdrojů elektřiny

Pro další zkomplikování výzvy učinilo mnoho společností – včetně tzv. „hyperscalers“, jako jsou Google, Microsoft a Amazon – veřejná prohlášení o dosažení nulových uhlíkových emisí do příštích 10 let. Mnohé z nich dosáhly pokroku ve svých cílech v oblasti čisté energie nákupem „smlouvy o koupi energie“. Podepíší smlouvu o koupi elektřiny například ze solárního nebo větrného zařízení, někdy poskytují financování pro výstavbu zařízení. Tento přístup k přístupu k čisté energii však má své limity, když je konfrontován s extrémní spotřebou energie datového centra.

Mezitím stoupající spotřeba energie zpomaluje uzavírání uhelných elektráren v mnoha státech. Jednoduše neexistuje dostatek zdrojů obnovitelné energie, které by sloužily jak hyperscalerům, tak stávajícím uživatelům, včetně jednotlivých spotřebitelů. V důsledku toho jsou konvenční elektrárny spalující fosilní paliva, jako je uhlí, potřebnější než kdykoli předtím.

Jak hyperscalers hledají zdroje čisté energie pro svá datová centra, jednou z možností by mohla být výstavba vlastních větrných a solárních instalací. Taková zařízení by však generovala elektřinu pouze přerušovaně. Vzhledem k potřebě nepřerušovaného napájení by datové centrum muselo udržovat jednotky pro ukládání energie, které jsou drahé. Mohly by se místo toho spolehnout na záložní generátory na zemní plyn nebo naftu – ale tato zařízení by musela být spárována se zařízením pro zachycování uhlíkových emisí a blízkým místem pro trvalou likvidaci zachyceného uhlíku.

Vzhledem k těmto komplikacím se několik hyperscalerů obrací k jaderné energii. Jak poznamenává Green: „Jaderná energie dobře odpovídá poptávce datových center, protože jaderné elektrárny dokáží spolehlivě generovat velké množství energie bez přerušení.“

V září se Microsoft v mnoha ohledech zviditelnil podepsáním dohody o nákupu energie na 20 let poté, co společnost Constellation Energy znovu otevře jeden z nepoškozených reaktorů ve své nyní uzavřené jaderné elektrárně ve Three Mile Island, místě proslulé jaderné nehody v roce 1979. Pokud to schválí regulátoři, Constellation uvedou tento reaktor do provozu do roku 2028, přičemž Microsoft bude nakupovat veškerou vyrobenou energii. Amazon také uzavřel dohodu o nákupu energie vyrobené v jiné jaderné elektrárně, která hrozila uzavřením kvůli finančním problémům. A začátkem prosince společnost Meta zveřejnila výzvu k podávání nabídek k identifikaci vývojářů jaderné energie, kteří pomohou společnosti uspokojit její potřeby v oblasti umělé inteligence a cíle v oblasti udržitelnosti.

Další jaderné zprávy se zaměřují na malé modulární jaderné reaktory (SMR), modulární elektrárny vyráběné v továrnách, které by mohly být instalovány v blízkosti datových center, potenciálně bez překročení nákladů a zpoždění, která se často vyskytují při výstavbě velkých elektráren. Google nedávno objednal flotilu SMR k výrobě energie potřebné pro jeho datová centra. První bude dokončen do roku 2030 a zbývající do roku 2035.

Někteří hyperscalers vsázejí na nové technologie. Například Google sleduje geotermální projekty nové generace a Microsoft podepsal smlouvu o nákupu elektřiny z fúzni elektrárny startupu od roku 2028 – i když fúzni technologie ještě nebyla prokázána.

Snižování spotřeby elektřiny

Jiné přístupy k zajištění dostatečné čisté elektřiny se zaměřují na to, aby datové centrum a provozy, které v něm sídlí, byly energeticky efektivnější, aby prováděly stejné výpočetní úlohy s menším výkonem. Používání rychlejších počítačových čipů a optimalizace algoritmů, které spotřebovávají méně energie, již pomáhají snižovat zatížení a také generované teplo.

Další testovaný nápad zahrnuje přesun výpočetních úloh na časy a místa, kde je v síti dostupná bezuhlíková energie. Deka vysvětluje: „Pokud úkol nemusí být dokončen okamžitě, ale do určitého termínu, lze ho odložit nebo přesunout do datového centra jinde v USA nebo v zahraničí, kde je elektřina hojnější, levnější a/nebo čistší? Tento přístup je známý jako „výpočty s ohledem na uhlík“.“ Ještě si nejsme jisti, zda lze každý úkol snadno přesouvat nebo odkládat, říká Deka. „Pokud si představíte generativní úkol založený na umělé inteligenci, lze ho snadno rozdělit na malé úlohy, které lze převést do různých částí země, vyřešit pomocí čisté energie a poté dát zpět dohromady? Jaké jsou náklady na provedení tohoto druhu dělení úloh?“

Tento přístup je samozřejmě omezen problémem fronty na připojení. Je obtížné získat přístup k čisté energii v jiném regionu nebo státě. V současné době se však usiluje o změkčení regulačního rámce, aby se zajistilo, že kritické propojení lze vyvíjet rychleji a snadněji.

Co sousedi?

Hlavním problémem všech možností napájení datových center je dopad na domácí spotřebitele energie. Pokud se datové centrum dostane do sousedství, existují nejen estetické obavy, ale i praktické starosti. Bude místní dodávka elektřiny méně spolehlivá? Kde budou umístěny nové přenosové vedení? A kdo zaplatí za nové generátory, modernizaci stávajícího vybavení atd.? Pokud se v sousedství objeví nové výrobní závody nebo průmyslové podniky, jsou nevýhody obecně kompenzovány dostupností nových pracovních míst. Ne tak u datových center, která mohou vyžadovat jen několik desítek zaměstnanců.

Existují standardní pravidla o tom, jak se sdílejí a přidělují náklady na údržbu a modernizaci. Situace se však přítomností nového datového centra zcela mění. V důsledku toho nyní musí energetické společnosti přehodnotit své tradiční cenové struktury, aby na obyvatele nebylo kladeno nepřiměřené břemeno platit za infrastrukturní změny potřebné k hostování datových center.

Příspěvky MIT

Na MIT vědci uvažují a zkoumají celou řadu možností, jak řešit problém zajištění čisté energie pro datová centra. Například zkoumají architektonické návrhy, které využijí přirozené větrání pro usnadnění chlazení, rozvržení zařízení, které umožní lepší proudění vzduchu a rozvod energie, a vysoce energeticky účinné klimatizační systémy založené na nových materiálech. Vytvářejí nové analytické nástroje pro hodnocení dopadu nasazení datových center na americký energetický systém a pro hledání nejúčinnějších způsobů, jak zařízením poskytovat čistou energii. Další práce se zabývá tím, jak sladit výkon malých jaderných reaktorů s potřebami datového centra a jak urychlit výstavbu takových reaktorů.

Týmy MIT se také zaměřují na určování nejlepších zdrojů záložní energie a dlouhodobého ukládání a na vývoj systémů podpory rozhodování pro umístění navrhovaných nových datových center, přičemž berou v úvahu dostupnost elektrické energie a vody, ale také regulační hlediska a dokonce i potenciál pro využití značného odpadního tepla, například pro vytápění blízkých budov. Projekty vývoje technologií zahrnují návrh rychlejšího, efektivnějšího počítačového čipu a energeticky efektivnějších výpočetních algoritmů.

Kromě poskytování vedení a financování mnoha výzkumných projektů působí MITEI jako koordinátor a shromažďuje společnosti a zúčastněné strany, aby tento problém řešily. Na výroční konferenci MITEI o výzkumu v roce 2024 diskutovala skupina zástupců dvou hyperscalerů a dvou společností, které navrhují a staví datová centra, o svých výzvách, možných řešeních a o tom, kde by byl výzkum MIT nejvýhodnější.

Vzhledem k tomu, že se datová centra neustále budují a výpočty neustále vytvářejí bezprecedentní nárůst poptávky po elektřině, Green říká, že vědci a inženýři se předhánějí v poskytování nápadů, inovací a technologií, které dokážou tuto potřebu uspokojit a zároveň pokračovat v rozvoji přechodu na dekarbonizovaný energetický systém.

Související články

Sdílet na sociálních sítích:

Komentáře

Zatím žádné komentáře. Buďte první, kdo napíše svůj názor!