Strom und Kühlung sind jetzt die harten Grenzen der Rechenzentren, auf der Erde und im Orbit

Zwei Meldungen kamen diese Woche innerhalb eines Tages heraus. Auf den ersten Blick haben sie nichts miteinander zu tun. Die eine handelt von einem Satelliten in der Größe eines Kühlschranks, die andere von 1.500 Meilen Stromleitungen. Beide handeln vom selben Problem: Rechenzentren sind den Strom- und Kühlsystemen entwachsen, die sie eigentlich versorgen sollten.

Zuerst der Satellit. Googles erster Testflug des Projekts Suncatcher, MVP genannt, soll am 1. Oktober an Bord einer SpaceX Falcon 9 im Rahmen des Rideshare-Programms Transporter-18 starten, berichtet Ars Technica. An Bord sind vier von Google selbst entwickelte TPU-Beschleuniger für KI. Die Solarpaneele liefern etwa ein Kilowatt. Laut Ars reicht das ungefähr, um eine Mikrowelle oder einen Haartrockner zu betreiben.

Das ist kein Rechenzentrum. Es ist ein einzelner Server im Orbit, mit einem physikalischen Problem im Gepäck.

Das Kühlproblem, im Weltraum und auf dem Boden

KI-Beschleuniger erzeugen viel Wärme, und Wärme lässt sich im Vakuum deutlich schwerer loswerden. Es gibt keine Luft, die über einen Kühlkörper streicht. Radiatorsysteme gibt es im Weltraum durchaus, doch sie sind laut Ars Technica darauf ausgelegt, verhältnismäßig kleine Wärmemengen abzuführen, verglichen mit dem, was KI-Silizium produziert. Google verbindet die Chips mit einer Schicht formbaren Wärmeleitmaterials mit Wärmerohren aus Aluminium und Kupfer. Diese leiten die Wärme in einen Radiator, der sie in den Weltraum abstrahlt.

Selbst mit diesem Aufbau können die vier Chips nur in Schüben von etwa 15 Minuten laufen, bevor sie abschalten müssen, damit die Radiatoren hinterherkommen. Tom's Hardware berichtet unter Berufung auf die New York Times dieselbe Zahl und ergänzt, dass die Chips regelmäßige Neustarts brauchen, um Bitfehler durch Strahlung zurückzusetzen. Der Satellit soll bis zu ein Jahr lang KI-Anfragen bearbeiten und bis zu sechs Jahre im Orbit bleiben, bevor er in die Atmosphäre eintritt. Dieser erste Test läuft laut Ars nur wenige Monate.

Google tut nicht so, als sei das ein Produkt. James Manyika, Senior Vice President of Research des Unternehmens, sagte der Times: "Wir erwarten, um ganz offen zu sein, nicht, dass wir in den nächsten Jahren irgendetwas nützlich Betriebsbereites haben werden." Er verglich das Vorhaben mit Googles Arbeit am fahrerlosen Auto, die das Unternehmen "etwa 15 Jahre lang getestet hat, bevor irgendetwas auftauchte".

Auffällig ist, was in diesem Bild fehlt: ein Kostenargument. Einen einzelnen Server in den Orbit zu schießen, um irdische Kühlung zu sparen, ist nach den verfügbaren Zahlen nicht offensichtlich billiger, als die Kühlung auf dem Boden zu bauen. Der Sinn des Experiments ist herauszufinden, was kaputtgeht.

Auf dem Boden ist das Netz der Engpass

Die irdische Variante desselben Problems zeigte sich diese Woche in einer Ankündigung des US-Energieministeriums. Das Ministerium erklärte, es werde 5,25 Milliarden Dollar in Netzverbesserungen stecken, aufgeteilt in 1,9 Milliarden Dollar Bundesmittel und 3,35 Milliarden Dollar Kostenbeteiligung, verteilt auf 31 Projekte in 26 Bundesstaaten. The Register berichtete am 25. September, das Programm unter der SPARK-Initiative mit Geld aus dem GRIP-Programm solle mindestens 23 Gigawatt zusätzliche Kapazität freisetzen.

Wie das funktionieren soll, ist wichtig. Die Projekte erzeugen keine zusätzliche Energie. Sie ersetzen Leiterseile oder bauen mehr als 1.500 Meilen Übertragungsleitungen neu und setzen netzverbessernde Technologien wie Sensoren und Leistungsflussregler auf 21.000 Meilen Infrastruktur ein. Mit anderen Worten: mehr aus bereits vorhandenen Leitungen herausholen. US-Energieminister Chris Wright sagte in einer Erklärung, die Investitionen würden "mehr aus der Infrastruktur herausholen, die wir bereits haben, mehr Strom durch das Netz bewegen und dazu beitragen, bezahlbaren, zuverlässigen und sicheren Strom zu liefern". Das Ministerium behauptet, das Programm werde die Zuverlässigkeit verbessern und die Stromkosten für rund 100 Millionen Amerikaner senken.

The Register sagt deutlich, dass es nicht reichen könnte. Die Zeitung zitiert eine Warnung von Moody's von Anfang September, wonach das Tempo des Rechenzentrumsbaus schneller ist als die Geschwindigkeit, mit der das US-Netz die nötige Kapazität zubauen kann. Moody's schätzt, dass der Stromverbrauch von US-Rechenzentren bis 2030 auf 426 TWh steigen wird, fast doppelt so viel wie 2025. Diese Lücke ist der Grund, warum die Branche in kleine modulare Reaktoren, Geothermie und die Reaktivierung alter Kernkraftwerke investiert, und warum Chiphersteller wie Nvidia laut The Register auf Rechenzentren drängen, die Kapazität bei Bedarf ans Netz zurückgeben können.

Warum erneuerbare Energien allein die Lücke nicht schließen

Eine verbreitete Annahme ist, dass saubere Energie die Angebotsseite löst. Data Center Knowledge hat die Grenzen dieses Arguments in einem Beitrag dargelegt, der noch immer die klarste Erklärung der Einschränkung ist. Wind- und Solarleistung schwankt mit dem Wetter, ein solarbetriebenes Rechenzentrum braucht an trüben Tagen also eine alternative Quelle, und ein Windpark erzeugt bei Flaute womöglich nicht genug Megawatt. Geothermie läuft wetterunabhängig, braucht aber spezialisierte Anlagen und eine größere Vorabinvestition; weniger als 0,5 Prozent des US-Stroms werden so erzeugt.

Speicherung ist die andere Hälfte des Problems. Ohne riesige Batterieanlagen lässt sich überschüssiger Strom aus Wind, Solar oder Geothermie nicht zurückhalten. Man nutzt ihn oder verliert ihn. Die praktische Folge ist laut Data Center Knowledge, dass der reine Betrieb eines Rechenzentrums mit sauberer Energie in der Regel den Bau von Bezugsanlagen mit einer viel höheren Gesamtleistung erfordert, als der Standort zu den meisten Zeiten braucht, oder aber die Ergänzung durch nicht saubere Energie in Spitzenzeiten.

Das alles macht saubere Energie nicht sinnlos. Selbst 20 Prozent des Energiebedarfs eines Standorts aus erneuerbaren Quellen zu decken, senkt die CO2-Emissionen aus der Energieerzeugung um 20 Prozent, und kombiniert mit Effizienzmaßnahmen wie Flüssigkühlung und intelligentem Lastmanagement ergibt das einen messbaren Unterschied. Es macht das Netz nur nicht überflüssig.

Die Durchsetzungsebene

Wenn Netzstrom knapp ist, suchen Betreiber Auswege, und manchmal verstoßen diese Auswege gegen das Gesetz. New Jersey hat diese Woche den Betreiber eines der größten geplanten Rechenzentren an der Ostküste zu einer Geldstrafe von 1,1 Millionen Dollar verurteilt, weil er heimlich Gasgeneratoren installiert und betrieben hatte, in Verstoß gegen das Luftreinhaltungsgesetz des Bundesstaates, wie Ars Technica am 24. September berichtete.

DataOne wurde nach einer Untersuchung des Guardian und von Floodlight News im August erwischt, die Wärmebild-Drohnenaufnahmen teilte, auf denen 45 von 62 Gasgeneratoren in Betrieb waren. Keiner hatte die für Generatoren ab 37 Kilowatt Leistung nötigen Genehmigungen, obwohl sie mit 1.982 kW liefen, mehr als das 50-Fache des Grenzwerts des Bundesstaates. Das Umweltministerium von New Jersey wies darauf hin, dass solche Generatoren Kohlendioxid, Stickoxide, Kohlenmonoxid und andere verbrennungsbedingte Schadstoffe ausstoßen, die Asthma verschlimmern, Herzinfarkte auslösen und frühe Todesfälle verursachen können.

DEP-Kommissar Ed Potosnak nannte die Maßnahme "bei Weitem die größte, die je gegen ein Rechenzentrum in New Jersey ergriffen wurde", und sagte, Rechenzentren würden in diesem Bundesstaat nicht "straffrei gebaut oder betrieben". Das Unternehmen hat 45 Tage Zeit, Genehmigungen zu beantragen oder den Betrieb einzustellen, darf die Motoren aber weiterlaufen lassen, während es sie beantragt. Ein Sprecher von DataOne sagte der New York Times, das Unternehmen werde die Genehmigungen beantragen und "widerspreche" der Geldstrafe, und ergänzte, man stelle auf emissionsarme Brennstoffzellen um.

Die Anwohner nahe dem Standort Vineland sind nicht zufrieden. Nichole Gardner von der lokalen Nonprofit-Organisation Sustain SJ sagte Ars, die Strafe sei "unzureichend, sowohl was den Betrag als auch was die Durchsetzung angeht". Tiffany Leone-Vespa, die seit 18 Jahren in der Nachbarschaft lebt, sagte der Times: "Was haben wir eingeatmet, seit sie diese Generatoren ohne Genehmigung betreiben?"

Was beides verbindet

Das Orbitalexperiment und die Geldstrafe in New Jersey liegen an entgegengesetzten Enden derselben Einschränkung. Google testet, ob es den irdischen Strom- und Kühlgrenzen entkommen kann, indem es den Planeten verlässt, und stellt fest, dass Wärme immer noch Wärme ist und ein Kilowatt immer noch ein Kilowatt. DataOne zeigt, was passiert, wenn ein Betreiber entscheidet, dass das Netz nicht warten kann und die Genehmigungen schon. Das Energieministerium versucht, mit neu bespannten Leitungen Zeit zu kaufen. Manyikas Einschätzung, wie Tom's Hardware berichtet, ist, dass Google etwa 15 Jahre braucht, um von einem Server mit vier Chips zu einem vollständigen Rechenzentrum zu kommen. Moody's gibt dem US-Netz fünf Jahre, um die Strommenge für Rechenzentren fast zu verdoppeln. Diese beiden Uhren laufen nicht im selben Tempo.