Moc i chłodzenie to teraz twarde limity centrów danych, na Ziemi i na orbicie

W tym tygodniu, w ciągu jednego dnia, pojawiły się dwie wiadomości, które wyglądają na niepowiązane, dopóki nie spojrzeć na liczby. Jedna dotyczy satelity wielkości lodówki. Druga 1 500 mil linii przesyłowych. Obie dotyczą tego samego problemu: centra danych przerosły systemy zasilania i chłodzenia, które miały im służyć.

Zacznijmy od satelity. Pierwszy statek testowy Google w ramach Project Suncatcher, nazwany MVP, ma wystartować 1 października na pokładzie rakiety Falcon 9 firmy SpaceX w ramach misji Transporter-18, podaje Ars Technica. W środku są cztery autorskie akceleratory AI TPU Google. Panele słoneczne dostarczają około jednego kilowata, co według Ars wystarcza mniej więcej na zasilenie kuchenki mikrofalowej albo suszarki do włosów.

To nie jest centrum danych. To pojedynczy serwer na orbicie z dołączonym problemem fizycznym.

Problem chłodzenia, w kosmosie i na Ziemi

Akceleratory AI wydzielają dużo ciepła, a w próżni znacznie trudniej się go pozbyć. Nie ma powietrza, które można przepuścić przez radiator. Systemy chłodzenia radiacyjnego istnieją w kosmosie, ale jak podaje Ars Technica, są zaprojektowane do odprowadzania stosunkowo niewielkich ilości ciepła w porównaniu z tym, co produkuje krzem AI. Google odpowiada na to warstwą plastycznego materiału przewodzącego ciepło, która łączy układy z aluminiowymi i miedzianymi rurami cieplnymi. Te odprowadzają ciepło do radiatora wypromieniowującego je w kosmos.

Nawet z takim rozwiązaniem cztery układy mogą pracować tylko przez serie około 15 minut, po czym muszą się wyłączyć i pozwolić radiatorom nadążyć. Tom's Hardware, powołując się na The New York Times, podaje tę samą wartość i dodaje, że układy będą wymagały okresowych restartów, aby zresetować błędy bitów powodowane promieniowaniem. Satelita ma obsługiwać zapytania AI przez maksymalnie rok i pozostawać na orbicie do sześciu lat, zanim wejdzie w atmosferę, choć Ars twierdzi, że ten pierwszy test potrwa zaledwie kilka miesięcy.

Google nie udaje, że to produkt. James Manyika, starszy wiceprezes ds. badań w firmie, powiedział Timesowi: "Szczerze mówiąc, nie spodziewamy się, że w ciągu najbliższych kilku lat będziemy mieli cokolwiek użytecznego w działaniu." Porównał ten wysiłek do prac Google nad samochodami bez kierowcy, które firma testowała "jakieś 15 lat, zanim cokolwiek się pojawiło".

Zwróć uwagę, czego w tym obrazie brakuje: argumentu kosztowego. Wystrzelenie pojedynczego serwera na orbitę, żeby oszczędzić na chłodzeniu na Ziemi, nie jest na podstawie dostępnych liczb oczywiście tańsze niż zbudowanie chłodzenia na miejscu. Celem eksperymentu jest ustalenie, co się psuje.

Na Ziemi wąskim gardłem jest sieć

Ziemska wersja tego samego problemu pojawiła się w tym tygodniu w ogłoszeniu Departamentu Energii USA. Resort podał, że przeznaczy 5,25 miliarda dolarów na poprawę sieci przesyłowej, dzieląc je na 1,9 miliarda dolarów funduszy federalnych i 3,35 miliarda dolarów współfinansowania, na 31 projektów w 26 stanach. The Register poinformował 25 września, że program prowadzony w ramach inicjatywy SPARK ze środkami z programu GRIP ma odblokować co najmniej 23 gigawaty dodatkowej mocy.

Mechanizm ma znaczenie. Projekty nie dodają mocy wytwórczych. Polegają na wymianie przewodów lub przebudowie ponad 1 500 mil linii przesyłowych i wdrożeniu technologii usprawniających sieć, takich jak czujniki i urządzenia sterujące przepływem mocy, na 21 000 mil infrastruktury. Innymi słowy, chodzi o wyciśnięcie więcej z przewodów, które już istnieją. Sekretarz energii USA Chris Wright powiedział w oświadczeniu, że inwestycje "pozwolą wycisnąć więcej z infrastruktury, którą już mamy, przenieść więcej energii przez sieć i dostarczyć przystępną, niezawodną i bezpieczną moc". Resort twierdzi, że program poprawi niezawodność i obniży koszty energii dla około 100 milionów Amerykanów.

The Register mówi wprost, że to może nie wystarczyć. Przytacza ostrzeżenie Moody's z początku września, że tempo budowy centrów danych przewyższa szybkość, z jaką amerykańska sieć może dodawać wymaganą moc. Moody's szacuje, że zużycie energii elektrycznej przez centra danych w USA osiągnie 426 TWh do 2030 roku, czyli prawie dwukrotność wartości z 2025 roku. Ta luka jest powodem, dla którego branża wydaje pieniądze na małe reaktory modułowe, energię geotermalną i przywracanie do pracy starzejących się elektrowni jądrowych. To także powód, dla którego producenci układów, tacy jak Nvidia, naciskają na centra danych, które w razie potrzeby mogą oddawać moc z powrotem do sieci, podaje The Register.

Dlaczego same OZE nie zamykają luki

Częste założenie mówi, że czysta energia rozwiązuje stronę podażową. Data Center Knowledge przedstawiło granice tego argumentu w tekście, który wciąż czyta się jako najjaśniejsze wyjaśnienie tego ograniczenia. Produkcja wiatru i słońca zmienia się z pogodą, więc obiekt zasilany energią słoneczną potrzebuje alternatywnego źródła w pochmurne dni, a farma wiatrowa może nie wytwarzać wystarczającej liczby megawatów, gdy jest bezwietrznie. Energia geotermalna działa niezależnie od pogody, ale wymaga specjalistycznych instalacji i większych nakładów początkowych; mniej niż 0,5 procent energii elektrycznej w USA powstaje w ten sposób.

Magazynowanie to druga połowa problemu. Jeśli obiekt nie ma ogromnych baterii, nadwyżki energii z wiatru, słońca lub źródeł geotermalnych nie da się zatrzymać. Albo się ją zużyje, albo się ją traci. Data Center Knowledge ujmuje to tak: zasilanie centrum danych wyłącznie czystą energią zwykle wymaga budowy instalacji o łącznej moc wyjściowej znacznie wyższej niż zapotrzebowanie obiektu w większości momentów, albo uzupełniania nieczystą energią w szczytach.

To wszystko nie czyni czystej energii bezcelową. Pozyskanie nawet 20 procent energii obiektu ze źródeł odnawialnych to cięcie o 20 procent emisji dwutlenku węgla związanych z produkcją energii. Połączenie tego z działaniami na rzecz efektywności, takimi jak chłodzenie cieczą i inteligentne zarządzanie mocą, daje mierzalną różnicę. To po prostu nie sprawia, że sieć staje się opcjonalna.

Wątek egzekwowania przepisów

Gdy brakuje mocy z sieci, operatorzy szukają obejść, a czasem te obejścia łamią prawo. New Jersey nakazało w tym tygodniu operatorowi jednego z największych planowanych centrów danych na wschodnim wybrzeżu zapłacenie 1,1 miliona dolarów kary za potajemne zainstalowanie i eksploatację generatorów gazowych z naruszeniem stanowej ustawy o kontroli zanieczyszczenia powietrza, poinformowało Ars Technica 24 września.

DataOne wpadło po śledztwie The Guardian i Floodlight News, które w sierpniu udostępniły nagranie z drona termowizyjnego pokazujące 45 z 62 generatorów gazowych w pracy. Żaden nie miał pozwoleń wymaganych dla generatorów o moc 37 kilowatów lub większej, mimo pracy przy moc 1 982 kW, ponad 50 razy powyżej stanowego limitu. Departament Ochrony Środowiska New Jersey zauważył, że takie generatory emitują dwutlenek węgla, tlenki azotu, tlenek węgla i inne zanieczyszczenia spalinowe, które mogą nasilać astmę, wywoływać zawały serca i powodować przedwczesne zgony.

Komisarz DEP Ed Potosnak nazwał tę decyzję "zdecydowanie największą, jaką kiedykolwiek podjęto wobec centrum danych w New Jersey" i powiedział, że centra danych nie będą "budowane ani eksploatowane bezkarnie w tym stanie". Firma ma 45 dni na złożenie wniosków o pozwolenia albo zaprzestanie działalności, ale może dalej uruchamiać silniki, gdy się o nie stara. Rzecznik DataOne powiedział The New York Times, że firma złoży wnioski o pozwolenia i "nie zgadza się" z karą, dodając, że przechodzi na ogniwa paliwowe o niskiej emisji.

Mieszkańcy w pobliżu obiektu w Vineland nie są usatysfakcjonowani. Nichole Gardner z lokalnej organizacji non-profit Sustain SJ powiedziała Ars, że kara jest "niewystarczająca, zarówno pod względem kwoty, jak i egzekwowania". Tiffany Leone-Vespa, która mieszka w tej okolicy od 18 lat, powiedziała Timesowi: "Czym oddychaliśmy, odkąd uruchomili te generatory bez pozwoleń?"

Co łączy jedno z drugim

Eksperyment orbitalny i kara w New Jersey leżą na przeciwnych końcach tego samego ograniczenia. Google sprawdza, czy może uciec od ziemskich limitów zasilania i chłodzenia, opuszczając planetę, i odkrywa, że ciepło wciąż jest ciepłem, a kilowat wciąż kilowatem. DataOne to skutek sytuacji, w której operator uznaje, że sieć może poczekać, a pozwolenia nie muszą. Departament Energii próbuje kupić czas wymienionymi przewodami. Szacunek Manyiki, cytowany przez Tom's Hardware, mówi, że Google ma około 15 lat, żeby przejść od serwera z czterema układami do pełnego centrum danych. Moody's daje amerykańskiej sieci pięć lat na prawie podwojenie ilości energii dostarczanej centrom danych. Te dwa zegary nie chodzą w tym samym tempie.