Puissance et refroidissement : les nouvelles limites des centres de données, sur Terre comme en orbite

Deux affaires ont éclaté à un jour d'intervalle cette semaine. Elles semblent sans rapport, jusqu'à ce qu'on regarde les chiffres. L'une concerne un satellite de la taille d'un réfrigérateur. L'autre porte sur 1 500 miles de lignes de transport. Les deux posent le même problème : les centres de données ont dépassé les systèmes d'alimentation et de refroidissement censés les servir.

Commençons par le satellite. Le premier engin de test du Project Suncatcher de Google, baptisé MVP, doit être lancé le 1er octobre à bord d'une Falcon 9 de SpaceX, dans le cadre du vol partagé Transporter-18, selon Ars Technica. À l'intérieur, quatre accélérateurs d'IA TPU conçus par Google. Les panneaux solaires fournissent environ un kilowatt, ce qui, note Ars, suffit à peu près à faire tourner un micro-ondes ou un sèche-cheveux.

Ce n'est pas un centre de données. C'est un seul serveur, en orbite, avec un problème de physique attaché.

Le problème du refroidissement, dans l'espace et au sol

Les accélérateurs d'IA produisent beaucoup de chaleur, et la chaleur est bien plus difficile à évacuer dans le vide. Il n'y a pas d'air à faire passer sur un dissipateur. Les systèmes de radiateurs existent dans l'espace, mais comme le rapporte Ars Technica, ils sont conçus pour évacuer des quantités de chaleur relativement faibles comparées à ce que produit le silicium d'IA. Google répond par une couche de matériau d'interface thermique malléable qui relie les puces à des caloducs en aluminium et en cuivre. Ces caloducs conduisent la chaleur vers un radiateur, qui la projette dans l'espace.

Même avec ce dispositif, les quatre puces ne peuvent fonctionner que par périodes d'environ 15 minutes. Il faut ensuite les arrêter et laisser les radiateurs rattraper leur retard. Tom's Hardware, citant The New York Times, rapporte le même chiffre et ajoute que les puces auront besoin de redémarrages périodiques pour corriger les inversions de bits causées par les radiations. Le satellite devrait traiter des requêtes d'IA pendant un an au maximum et rester en orbite jusqu'à six ans avant de rentrer dans l'atmosphère, même si Ars précise que ce premier test ne durera que quelques mois.

Google ne prétend pas qu'il s'agit d'un produit. James Manyika, vice-président senior de la recherche de l'entreprise, a déclaré au Times : « Nous ne nous attendons pas, pour être tout à fait franc, à avoir quoi que ce soit d'utilement opérationnel dans les prochaines années. » Il a comparé l'effort au travail de Google sur la voiture sans conducteur, que l'entreprise a testé « environ 15 ans avant que quoi que ce soit n'apparaisse ».

Notons ce qui manque dans ce tableau : un argument de coût. Lancer un seul serveur en orbite pour économiser sur le refroidissement terrestre n'est pas, au vu des chiffres disponibles, évidemment moins cher que de construire le refroidissement au sol. Le but de l'expérience est de découvrir ce qui casse.

Au sol, le réseau est le goulot d'étranglement

La version terrestre du même problème est apparue dans une annonce du département de l'Énergie des États-Unis cette semaine. Le département a indiqué qu'il consacrerait 5,25 milliards de dollars à des améliorations du réseau, répartis entre 1,9 milliard de dollars de fonds fédéraux et 3,35 milliards de dollars de financement partagé, sur 31 projets dans 26 États. The Register rapportait le 25 septembre que ce programme, mené dans le cadre de l'initiative SPARK avec l'argent du programme GRIP, devrait libérer au moins 23 gigawatts de capacité supplémentaire.

Le mécanisme compte. Les projets n'ajoutent pas de production. Ils remplacent les conducteurs ou reconstruisent plus de 1 500 miles de lignes de transport et déploient des technologies d'amélioration du réseau, capteurs et dispositifs de contrôle des flux de puissance, sur 21 000 miles d'infrastructures. Autrement dit, tirer davantage de fils qui existent déjà. Le secrétaire américain à l'Énergie, Chris Wright, a déclaré dans un communiqué que ces investissements « permettront de tirer davantage de l'infrastructure que nous possédons déjà, de faire circuler plus d'électricité sur le réseau et de contribuer à fournir une énergie abordable, fiable et sûre ». Le département affirme que le programme améliorera la fiabilité et réduira les coûts d'électricité pour environ 100 millions d'Américains.

The Register est catégorique : cela pourrait ne pas suffire. Le journal cite un avertissement de Moody's plus tôt en septembre, selon lequel le rythme de construction des centres de données dépasse la vitesse à laquelle le réseau américain peut ajouter la capacité nécessaire. Moody's estime que la consommation électrique des centres de données américains atteindra 426 TWh d'ici 2030, près du double du chiffre de 2025. C'est cet écart qui pousse le secteur à dépenser dans les petits réacteurs modulaires, la production géothermique et la remise en service de centrales nucléaires vieillissantes. C'est aussi pour cela que des fabricants de puces comme Nvidia réclament des centres de données capables de rendre de la capacité au réseau en cas de besoin, selon The Register.

Pourquoi les renouvelables seuls ne comblent pas l'écart

Une idée courante veut que l'énergie propre règle le côté offre. Data Center Knowledge a exposé les limites de cet argument dans un texte qui reste l'explication la plus claire de la contrainte. La production éolienne et solaire varie avec la météo. Une installation solaire a donc besoin d'une source alternative les jours nuageux, et un parc éolien peut ne pas produire assez de mégawatts quand il n'y a pas de vent. La géothermie fonctionne indépendamment de la météo, mais exige des installations spécialisées et un investissement initial plus lourd ; moins de 0,5 pour cent de l'électricité américaine est produite ainsi.

Le stockage est l'autre moitié du problème. À moins qu'un site ne dispose d'immenses batteries, l'électricité excédentaire du vent, du solaire ou de la géothermie ne peut pas être conservée. On l'utilise ou on la perd. La conséquence pratique, comme le formule Data Center Knowledge, est qu'alimenter un centre de données uniquement en énergie propre exige généralement de construire des installations d'approvisionnement d'une capacité totale bien supérieure à ce dont le site a besoin la plupart du temps, ou de compléter avec de l'énergie non propre aux heures de pointe.

Rien de tout cela ne rend l'énergie propre inutile. Tirer ne serait-ce que 20 pour cent de l'énergie d'une installation du renouvelable, c'est une baisse de 20 pour cent des émissions de carbone liées à la production d'énergie. Combiner cela avec des mesures d'efficacité comme le refroidissement liquide et la gestion intelligente de l'alimentation fait une différence mesurable. Cela ne rend pas le réseau facultatif pour autant.

Le volet répressif

Quand l'électricité du réseau manque, les exploitants trouvent des contournements. Parfois, ces contournements enfreignent la loi. Le New Jersey a ordonné cette semaine à l'exploitant de l'un des plus grands centres de données prévus sur la côte Est de payer une amende de 1,1 million de dollars. L'entreprise avait installé et fait fonctionner en secret des générateurs à gaz, en violation de la loi de l'État sur le contrôle de la pollution atmosphérique, rapportait Ars Technica le 24 septembre.

DataOne a été pris après une enquête du Guardian et de Floodlight News en août. Les deux médias ont partagé des images de drone thermique montrant 45 des 62 générateurs à gaz en fonctionnement. Aucun ne disposait des permis exigés pour les générateurs d'une capacité de 37 kilowatts ou plus, alors qu'ils tournaient à des capacités de 1 982 kW, plus de 50 fois la limite de l'État. Le département de la protection de l'environnement du New Jersey a noté que ces générateurs émettent du dioxyde de carbone, des oxydes d'azote, du monoxyde de carbone et d'autres polluants liés à la combustion. Ces émissions peuvent aggraver l'asthme, déclencher des crises cardiaques et causer des morts prématurées.

Le commissaire du DEP, Ed Potosnak, a qualifié cette action de « de loin la plus importante jamais engagée contre un centre de données dans le New Jersey ». Il a déclaré que les centres de données ne seraient pas « construits ou exploités en toute impunité dans cet État ». L'entreprise dispose de 45 jours pour demander les permis ou cesser ses activités, mais elle peut continuer à faire tourner les moteurs pendant qu'elle les sollicite. Un porte-parole de DataOne a déclaré au New York Times que l'entreprise demanderait les permis et « contestait » l'amende, ajoutant qu'elle passe à des piles à combustible à faibles émissions.

Les riverains du site de Vineland ne sont pas satisfaits. Nichole Gardner, de l'association locale Sustain SJ, a déclaré à Ars que la sanction est « insuffisante, tant en montant qu'en application ». Tiffany Leone-Vespa, qui vit dans le quartier depuis 18 ans, a déclaré au Times : « Qu'avons-nous respiré depuis qu'ils font tourner ces générateurs sans permis ? »

Ce qui relie les deux

L'expérience orbitale et l'amende du New Jersey se situent aux deux extrémités d'une même contrainte. Google teste s'il peut échapper aux limites terrestres de puissance et de refroidissement en quittant la planète, et découvre que la chaleur reste de la chaleur et qu'un kilowatt reste un kilowatt. DataOne, c'est ce qui arrive quand un exploitant décide que le réseau ne peut pas attendre et que les permis peuvent attendre. Le département de l'Énergie tente de gagner du temps avec du câble reconducté. L'estimation de Manyika, telle que rapportée par Tom's Hardware, est que Google dispose d'environ 15 ans pour passer d'un serveur à quatre puces à un centre de données complet. Moody's donne au réseau américain cinq ans pour presque doubler l'électricité qu'il fournit aux centres de données. Ces deux horloges ne tournent pas à la même vitesse.