Аналитика - Генерация энергии

Аппетит и жажда: искусственному интеллекту требуется энергия и вода

21.10.24 16:11

Аппетит и жажда: искусственному интеллекту нужна энергия и вода

Вычислительные мощности, необходимые для разработки все более совершенных моделей машинного обучения, требуют немалых энергозатрат и наносят ущерб окружающей среде.

США доминируют на рынке центров обработки данных — по состоянию на 2024 год в стране зарегистрировано 5388 ЦОДов, 45% от мирового количества. За Америкой следуют Германия (520 ЦОДов), Великобритания (512), Китай (449) и Канада (336). На 6-м месте — Франция с 316 дата-центрами. Россия — на 9-м месте с 251.

Ответ за бутылку воды

При выполнении вычислений серверы выделяют тепло. Часто для охлаждения оборудования и поддержания его работоспособности используются водяные системы, а там, где электричество дешевле, или воды сравнительно мало, — кондиционеры.

Согласно данным исследовательского центра Pew Research Center, примерно четверть американцев задействовали ChatGPT с момента выпуска чат-бота в 2022 году, и каждый ответ на запрос требует больших энергозатрат. Чат-боты потребляют огромное количество энергии для ответа на вопросы пользователей, и простое охлаждение серверов в центрах обработки данных наносит ущерб окружающей среде. Хотя точную нагрузку практически невозможно количественно оценить, исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде вычислили, сколько воды и энергии потребляет ChatGPT OpenAI, использующий языковую модель GPT-4, выпущенную в марте 2023 года, для написания короткого письма.

Например, генерация текста из 100 слов чат-ботом GPT-4 требует 0,5 л воды для охлаждения серверов или 0,14 кВт/ч (столько потребляют 14 светодиодных ламп за один час работы). Количество воды, необходимое для работы ИИ, зависит от региона, где находятся дата-центры. Так, в Вашингтоне на каждый сгенерированный ответ ChatGPT нужно около 1468 мл воды, в то время как в Техасе этот показатель значительно ниже — всего 235 мл. Это связано с разной инфраструктурой охлаждения в каждом регионе, которая может включать использование воды или электричества.

ЦОДы также требуют огромного количества энергии для поддержки других видов деятельности, таких как облачные вычисления, и искусственный интеллект только увеличил эту нагрузку. Если центр обработки данных расположен в жарком регионе и использует кондиционирование воздуха для охлаждения, требуется много электроэнергии, чтобы поддерживать оптимальную температуру. Если дата-центры, использующие водяное охлаждение, расположены в районах, подверженных засухе, они способны истощить территорию драгоценного природного ресурса.

В Западном Де-Мойне, штат Айова, департамент водоснабжения отчитался, что объекты, управляемые такими компаниями, как Microsoft, потребляют около 6 процентов всей воды округа. После продолжительной судебной тяжбы газета Oregonian заставила Google раскрыть, сколько ее центры обработки данных потребляют в Далласе, примерно в 80 милях к востоку от Портленда: как показали документы, это почти четверть всей воды, доступной в городе.

ИИ оказался весьма прожорливой с точки зрения электропотребления системой

Разработчики используют специальное программное обеспечение и открытые библиотеки, которые снижают вычислительные мощности и размеры необходимой памяти, а также применяют сжатие для подбора наиболее оптимальных алгоритмов обучения и сокращения параметров нейросети. Это помогает обучать модели на меньшем количестве мощностей.

В Швеции спрос на электроэнергию со стороны центров обработки данных может вырасти в 2 раза в течение этого десятилетия, а затем снова удвоиться к 2040 году. Ожидается, что в Великобритании искусственный интеллект будет потреблять на 500% больше энергии в течение следующих 10 лет. А в США дата-центры, по прогнозам, будут потреблять 8% от общей мощности к 2030 году, по сравнению с 3% в 2022 году, по данным Goldman Sachs, который описал это как «такой рост электроэнергии, которого не было за поколение».

Во всем мире построено или находится на разных стадиях строительства более 7000 центров обработки данных, по сравнению с 3600 в 2015 году. Эти ЦОДы способны потреблять в общей сложности 508 тераватт-часов электроэнергии в год, если они будут работать постоянно. Это больше, чем общее годовое производство электричества в Италии или Австралии. Ожидается, что к 2034 году мировое потребление энергии дата-центрами превысит 1580 ТВт/ч. Это примерно столько же, сколько потребляет вся Индия.

Это только оценки, и остается высокая степень неопределенности в том, как будет развиваться нынешняя лихорадка вокруг искусственного интеллекта. Также существует разница между прогнозами относительно того, сколько электроэнергии хотят разработчики центров обработки данных, и тем, сколько генерации фактически построено.

В то время как технологические компании указывают, что центры обработки данных составляют менее 2% мирового потребления энергии даже с учетом всего расширения, в отчете Goldman Sachs указывается, что эта цифра может вырасти до 4% к концу десятилетия. Любое увеличение процентного пункта является монументальным, учитывая, что общий спрос на электроэнергию оставался практически неизменным в течение многих лет и даже порой снижался в некоторых регионах.

В США ожидается рост спроса на электроэнергию на 40% в течение следующих двух десятилетий по сравнению с ростом всего на 9% за последние 20 лет, по словам Джона Кетчума, генерального директора NextEra Energy Inc., крупнейшего в мире производителя ветровой и солнечной энергии. Центры обработки данных являются главной причиной этого бума спроса, сказал Кетчум. На вопрос, почему центры обработки данных внезапно стали потреблять так много энергии, его ответ был таким: «Это ИИ».

Крупнейшие поставщики облачных услуг — Amazon, Microsoft и Google — объявили о целях полностью перевести свои ЦОДы на экологически чистую энергию. Amazon планирует это сделать к следующему году, Google и Microsoft - к 2030 г. Все три IT-гиганта утверждают, что работают над технологическими методами, чтобы потреблять меньше энергии или более эффективно балансировать спрос на сеть. Это может включать в себя выжимание большей эффективности из чипов и серверов, размещение оборудования таким образом, чтобы оно требовало меньшего охлаждения, и перемещение нагрузок в разные области в зависимости от того, где доступна энергия, особенно ВИЭ.

Весной 2024 года Amazon Web Services (AWS) приобрёл ЦОД, строящийся в непосредственной близости от атомной электростанции мощностью 2,5 ГВт Susquehanna в Пенсильвании, одной из крупнейших АЭС в США. Первый объект гиперскейл-уровня на 28,9 тыс. кв. м и мощностью 48 МВт сдан в эксплуатацию в 2023 году. Параллельно возводилась отдельная ферма для криптомайнинга для компании TeraWulf. Ожидается, что в конечном итоге ёмкость кампуса AWS достигнет 960 МВт. У компании есть обязательства по минимальному потреблению энергии, и они будут увеличиваться в течение нескольких лет с шагом в 120 МВт. Впрочем, у AWS остаётся возможность единовременно ограничить обязательства лимитом в 480 МВт.

ЦОДы будут выбрасывать в 3 раза больше углекислого газа из-за ИИ

Ожидается, что к концу десятилетия объем выбросов парниковых газов в мировом масштабе от индустрии центров обработки данных составит 2,5 млрд тонн СО₂-эквивалента, что в три раза больше, чем если бы ИИ не был разработан.

Корпорация Microsoft недавно признала, что ее продвижение ИИ ставит под угрозу давнюю цель стать углеродно нейтральной компанией к 2030 году.

«Нам нужно на тераватты и тераватты зеленой энергии, будь то ветер или солнце, и это по всему миру», — сказала Аманда Петерсон Корио, глобальный руководитель по энергетике центров обработки данных Google, говоря в целом, а не только о потребностях ИИ. Один тераватт эквивалентен генерации около 1000 атомных электростанций.

В современных центрах обработки данных работают тысячи чипов H100 от Nvidia Corp., каждый из которых потребляет до 700 Вт, что почти в 8 раз больше мощности, потребляемой типичным 60-дюймовым телевизором с плоским экраном. Центры обработки данных, созданные для обучения моделей ИИ, требуют еще больше энергоресурсов. Например, Microsoft объединила десятки тысяч процессоров Nvidia внутри объекта, используемого для разработки технологии OpenAI. Они питаются от сетевых и других типов чипов, которые в сочетании с оборудованием в центрах обработки данных, используемым для предотвращения перегрева оборудования, потребляют еще больше энергии.

И общепринятое мнение в Кремниевой долине заключается в том, что количество необходимой энергии будет только расти. Новейший чип Nvidia, B100, может потреблять почти вдвое больше энергии, чем H100. Nvidia утверждает, что компании смогут делать больше с меньшим количеством чипов, но Ян Бак, руководитель отдела ускоренных вычислений компании, признает, что, вероятно, развертывания ИИ возрастут.

Суперкомпьютер Microsoft, построенный в 2020 году, который обучил систему OpenAI GPT-3, использовал 10 000 того, что было на тот момент новейшим чипом ИИ. Суперкомпьютер Microsoft, выпущенный в ноябре 2023 года, опирался на 14 400 лучших чипов Nvidia H100, а следующий, который уже разрабатывается, будет в 30 раз мощнее, согласно презентации, представленной главным техническим директором Microsoft Azure Марком Руссиновичем.

Между тем, генеральный директор Nvidia Дженсен Хуанг уверен, что многие страны будут стремиться создавать собственные «суверенные» системы ИИ, чтобы оставаться конкурентоспособными и обрабатывать данные локально. Глобальная битва за превосходство ИИ может зависеть от того, у каких стран достаточно центров обработки данных и мощности для поддержки этой технологии. Если так, округ Лоудон — это видение того, что ждет остальной мир, и с какими проблемами столкнутся другие страны, чтобы не отставать.

За последние пять лет Dominion Energy Inc., энергетическая компания, обслуживающая округ Лоудон, подключила 94 центра обработки данных, которые потребляют около четырех гигаватт электроэнергии в совокупности. Этого объема достаточно для электроснабжения сотен тысяч домов.

Разработчикам центров обработки данных теперь приходится дольше ждать подключения своих проектов к электросети. «Это может занять два или четыре года, в зависимости от того, что нужно построить», — сказал президент Dominion Energy Virginia Эдвард Бейн.

Dominion обратилась к регулирующим органам с просьбой разрешить строительство новых подстанций и линий электропередач для обслуживания «беспрецедентного» роста нагрузки.

Вирджиния не одинока в попытках удовлетворить спрос. По словам Дэвида Блума, председателя британского оператора центров обработки данных Kao Data в Западном Лондоне, новым объектам приходится ждать до 2030 года, чтобы подключиться к сети. «Сейчас нас вытесняют в новые места», — сказал он. Аналогичная ситуация складывается на юге Швеции, где рынок возобновляемых источников энергии очень большой, но спрос на подключение настолько велик, что компаниям, возможно, придется ждать доступа к электросети годами. «У нас одна очередь, и вам нужно получить свой билет», — сказал Петер Хьялмар, региональный менеджер немецкой энергокомпании E.ON SE на юге Швеции. А по всей территории США ожидается, что многие новые центры обработки данных с использованием искусственного интеллекта будут потреблять по 100 мегаватт каждый, согласно недавнему анализу Morgan Stanley, что побудило аналитиков задаться вопросом, «как все предлагаемые проекты центров обработки данных будут своевременно обеспечиваться электроэнергией». Спрос настолько высок, что крупные технологические компании ведут войны за площадки для центров обработки данных с готовым доступом к электроэнергии.

Прогнозируемый рост центров обработки данных также может столкнуться с ограничениями на то, сколько энергии можно передавать по линиям электропередачи, отметил Али Фархади, генеральный директор Института искусственного интеллекта Аллена. «Я не думаю, что мы сможем передавать столько электроэнергии по всему миру, не говоря уже о ее генерации», — сказал он.

Средний размер объектов центров обработки данных во всем мире сейчас составляет 412 000 квадратных футов, что почти в пять раз больше, чем в 2010 году, согласно данным DC Byte, компании по исследованию рынка. Рост спроса на центры обработки данных в сочетании с крупными инвестициями со стороны энергетических компаний, таких как Dominion, в новые подстанции, линии электропередачи и другую инфраструктуру для их поддержки, также увеличивают вероятность того, что клиенты увидят растущие цены на электроэнергию.

Goldman Sachs оценивает, что американским коммунальным компаниям придется инвестировать около 50 миллиардов долларов в новые мощности по производству электроэнергии для поддержки центров обработки данных. «Это приведет к росту цен на электроэнергию как по оптовым, так и по розничным тарифам», — сказал аналитик рынка электроэнергии Патрик Финн из консалтинговой компании Wood Mackenzie.

Расходы, включая улучшение сети, делятся между каждым классом клиентов, от жилых до промышленных, в зависимости от того, сколько фактически стоит обслуживание каждого, по словам представителя Dominion.

Ирландия привлекла так много центров обработки данных от Microsoft, Amazon и других, что, по прогнозам, эти объекты будут потреблять треть энергии страны к 2026 году по сравнению с 18% в 2022 году.

Оптовые цены на электроэнергию в Ирландии в этом году были на треть выше, чем в остальной Европе. Другие факторы, включая географию страны, играют свою роль, но Сара Нолан, старший специалист по моделированию в Cornwall Insight, сказала, что растущий спрос на центры обработки данных может внести свой вклад — и это в стране, которая предприняла серьезные шаги по ограничению строительства как раз перед началом бума ИИ.

Чтобы справиться с ограничениями в области энергетики, государственный электроэнергетический оператор Ирландии ввел мораторий в Дублине в начале 2022 года и установил условия для подключения новых центров обработки данных к сети, отдавая предпочтение тем, кто генерирует собственную электроэнергию. У оператора есть «комплексные» планы по созданию сети, сказал Донал Трэверс, глава отдела технологий, потребительских и деловых услуг IDA Ireland, государственного агентства, которому поручено привлекать прямые иностранные инвестиции. Но он сказал, что ограничения на крупные новые подключения, как ожидается, сохранятся «вероятно, до 2028 года или около того».

Азия открывает двери для дата-центров

Джохор, самый южный штат полуостровной Малайзии, проводит политику ускорения выдачи разрешений на строительство центров обработки данных. Что важно, отсюда также можно быстро доехать до Сингапура, который ввел мораторий на несколько лет на новые объекты для управления ростом энергетики на острове.

Когда-то сонная рыбацкая деревня, пригороды города Джохор-Бару теперь отмечены огромными строительными площадками. Microsoft и Amazon инвестируют в регион, как и компания Princeton Digital Group (PDG). В технологическом парке Седенак, обширном комплексе примерно в 40 милях к югу от центра города Джохор-Бару, возвышаются краны в небе. Новый 150-мегаваттный центр обработки данных PDG занимает один угол парка напротив аналогичных объектов других собственников. Ожидается, что в Джохоре в течение двух лет будет 300 мегаватт мощности.

Но даже рынки, стремящиеся оптимизировать строительство центров обработки данных, сталкиваются с ограничениями. Чего не хватает в Джохоре, особенно для такой отрасли, как IT, которая известна своими климатическими обещаниями, так это возобновляемой энергии. Электроснабжение в Седенаке осуществляется компанией Tenaga Nasional Berhad, которая использует угольные или газовые электростанции. Хотя у Малайзии амбициозные цели по поддержке возобновляемых источников энергии, включая планы по строительству солнечной электростанции мощностью 500 мегаватт в Джохоре, сегодня она полагается на уголь для более чем трети своей генерации. Большая часть мощностей центров обработки данных Малайзии пока не используется, но с учетом всего, что находится в стадии строительства, объем электроэнергии, потребляемой только центрами обработки данных, превысит общий объем возобновляемой выработки страны в 2022 году, последнем году, по которому имеются данные.

Как и Малайзия, Техас стал одним из самых быстрорастущих рынков центров обработки данных в США, отчасти благодаря обещанию более короткого времени ожидания для техприсоединения к своей независимой электросети. Техасские площадки могут быть подключены к сети в течение одного-двух лет, необходимых для строительства центров обработки данных, сказал Бобби Холлис, вице-президент по энергетике Microsoft, которая является крупнейшим игроком в Техасе по мегаваттам, согласно DC Byte.

Во главе с Малайзией Юго-Азиатский регион готов потенциально построить более 150 дата-центров в ближайшее время, добавив к глобальному потреблению электроэнергии еще 5 500 МВт.

Сегодня в мире около 7 000 дата-центров потребляют 506 терраватт электроэнергии. Спрос будет расти и дальше, подогреваемый ИИ. Новый чип от Nvidia, который маркирован, как H100, потребляет ровно в два раза больше энергии по сравнению с прошлой модификацией B100.

Амазон переводит электропотребление своих центров на энергию, выработанную АЭС. Это и объясняет повышение спроса на атомную энергию в США.

На примере США видно, что дата-центрам нужно и все больше и больше земельных участков. Сегодня дата-центры - это одни из самых больших сооружений на земле. Интересный парадокс - чем меньше чипы, тем больше нужно земли под дата-центры. В США строительство дата-центров скоро может достигнуть предела, так как это вызывает недовольство местных жителей.

Спрос на земельные участки и электроэнергию, темпы строительства дата-центров в Азии - это дополнительные индикаторы того, насколько востребованы ресурсы, которыми обладает Россия. Перенос дата-центров из развитых стран в другие регионы планеты - один из трендов ближайшего будущего.

Ставка на атомную энергию

Компания Google заказала у стартапа Kairos Power от шести до семи малых модульных ядерных реакторов (SMR) общей мощностью 500 МВт для обеспечения низкоуглеродной электроэнергией своих энергоемких центров обработки данных. Этот договор — первая в истории корпоративная сделка по покупке энергии, произведенной SMR. Запуск демонстрационного реактора в Теннесси запланирован на 2027 год, первого коммерческого реактора - на 2030 год, а всей серии – к 2035 г. Эти реакторы дополнят возобновляемые источники энергии и будут содействовать достижению амбициозных целей обеспечения круглосуточного питания безуглеродной энергией и нулевого уровня выбросов. Ранее Google сообщал, что объем углеродных выбросов компании в 2023 году вырос на 13%, а в сравнении с 2019 годом - на 50%. В большей степени это связано с развитием искусственного интеллекта и развитием ЦОД. Google отмечает, что энергопотребление ЦОД в прошлом году увеличилось на 17%, несмотря на то, что энергоэффективность ее центров в 1,8 раза выше средних показателей по отрасли. Крупные технологические компании неоднократно обещали сделать свои центры обработки данных более экологичными за счет использования новых методов охлаждения. однако эти климатические обязательства не выполняются. В июльском отчете Google, например, указано, что выбросы углекислого газа выросли на 48% из-за ИИ и ЦОДов. Восполняется только 18% потребляемой воды, что далеко от 120%, обещанных компанией к 2030 году.

Amazon заявила, что инвестирует в разработку небольших модульных реакторов другим стартапом, X-Energy. В сентябре было объявлено о сделке Microsoft с энергетической компанией Constellation Energy по восстановлению атомной электростанции на Three Mile Island в Пенсильвании.

Объясняя решение международных корпораций, декан факультета бизнес-информатики и управления комплексными системами НИЯУ МИФИ Александр Путилов говорит, что обработки данных с помощью ИИ-технологий необходимы центры обработки данных (ЦОД), обладающие целом рядом необходимых качеств:

надежностью энергоснабжения для работы самих электронных устройств, в рамках которых и происходит реализация ИИ-технологий;
надежностью охлаждения электронных устройств, в случае перегрева которых будет потеряна вся информация, подвергаемая обработке;
физической защите от возможных воздействий, квалифицированный персонал и пр.

«Для территорий АЭС все эти требования выполняются: не менее двух энергетических сетей (кроме самой АЭС), физическая безопасность, квалифицированный персонал и прочее», - отмечает эксперт. Например, госкорпорация «Росатом» создала Центр обработки данных «Калининский», 1-й этап которого был введен в эксплуатацию весной 2018 г. на территории Калининской АЭС.

Старший преподаватель Института интеллектуальных кибернетических систем НИЯУ МИФИ Роман Душкин добавляет, что в настоящее время транснациональные корпорации строят огромные дата-центры – например, Илон Маск запустил самый мощный в мире ИИ-кластер с 100 000 картами Nvidia. Подобные проекты, естественно, требуют электрической энергии.

«Уже бум блокчейн-технологии пять лет назад обнаружил нехватку электроэнергии, и майнинговые фермы искали возможности в России, Китае, Казахстане утилизировать нерасходуемые мощности электростанций. Сейчас же, на после бума больших языковых моделей, грядет бум обучения фундаментальных моделей, которые могут в себя вобрать, в принципе, данные любых модальностей», - отмечает эксперт.

Как объясняет Роман Душкин, у человечества накоплены огромные научные данные, данные всевозможных наблюдений, данные сканирования различных 3D-объектов, множество данных, получаемых не людьми с помощью органов чувств, а с помощью различных датчиков и сенсоров, и все эти данные используются для обучения так называемых фундаментальных мультимодальных моделей ИИ. «Для их обучения требуется не только огромное количество данных, но и огромное количество электроэнергии. Ну, а где ее взять, кроме как не из мирного атома?», - задает риторический вопрос Роман Душкин.

К списку крупных высокотехнологических компаний, которые озабочены нехваткой электроэнергии для своих дата-центров, и от которыхв силу этого стоит ожидать инвестиций в атомную энергетику, относится также Oracle, которому принадлежат сотни дата-центров по всему миру, и компания Илона Маска xAI, строящая гигантский кластер искусственного интеллекта (ИИ) под названием «Cortex» на своей фабрике в Остине, штат Техас. Этот суперкластер предназначен для поддержки достижений Tesla в области технологии полного самоуправления (FSD) и робота Optimus. На объекте будет размещено около 100 000 чипов Nvidia H100 и H200 для обучения нейронных сетей Tesla. Цель — улучшить и ускорить обучение технологии Full Self-Driving (FSD), которая позволит автомобилям Tesla принимать более точные и безопасные решения во время вождения. Tesla также планирует использовать «Cortex» для разработки и совершенствования своего робота-гуманоида Оптимуса, предназначенного для выполнения повторяющихся ручных задач.