چالش چندوجهی تقویت هوش مصنوعی

هوش مصنوعی در تجارت و معاملات مالی، مراقبت های پزشکی، توسعه فناوری، تحقیقات و بسیاری موارد دیگر حیاتی شده است. مصرف کنندگان بدون اینکه بدانند متکی هستند روی هوش مصنوعی زمانی که یک ویدیو را پخش می کنند، بانکداری آنلاین انجام می دهند یا جستجوی آنلاین انجام می دهند. در پشت این قابلیت ها بیش از 10000 مرکز داده در سراسر جهان وجود دارد که هر یک انبار بزرگی شامل هزاران سرور رایانه و زیرساخت های دیگر برای ذخیره، مدیریت و پردازش داده ها است. در حال حاضر بیش از 5000 مرکز داده در ایالات متحده وجود دارد، و مراکز جدید هر روز در ایالات متحده و در سراسر جهان ساخته می شوند. اغلب ده‌ها نفر درست در نزدیکی محل زندگی مردم دور هم جمع می‌شوند، که توسط سیاست‌هایی که معافیت‌های مالیاتی و سایر مشوق‌ها را فراهم می‌کنند، و چیزی که شبیه برق فراوان به نظر می‌رسد جذب می‌شوند.

و مراکز داده مقادیر زیادی برق مصرف می کنند. مراکز داده ایالات متحده بیش از 4 درصد از کل برق این کشور را در سال 1402 مصرف کردند و طبق گفته مؤسسه تحقیقاتی برق برق، تا سال 2030 این بخش می تواند به 9 درصد افزایش یابد. یک مرکز داده بزرگ می تواند به اندازه 50000 خانه برق مصرف کند.

نیاز ناگهانی به مراکز داده بسیاری چالشی عظیم برای صنایع فناوری و انرژی، سیاستگذاران دولتی و مصرف کنندگان روزمره ایجاد می کند. دانشمندان پژوهشی و اعضای هیئت علمی در MIT Energy Initiative (MITEI) در حال بررسی جنبه های متعدد این مشکل هستند – از منبع تغذیه تا بهبود شبکه گرفته تا ابزارهای تحلیلی که کارایی را افزایش می دهند و موارد دیگر. مراکز داده به سرعت به موضوع انرژی روز ما تبدیل شده اند.

تقاضای غیرمنتظره راه حل های غیرمنتظره ای به همراه دارد

چندین شرکت‌هایی که از مراکز داده برای ارائه خدمات رایانش ابری و مدیریت داده‌ها استفاده می‌کنند، گام‌های شگفت‌انگیزی را برای ارائه تمام آن برق اعلام می‌کنند. پیشنهادها شامل ساخت نیروگاه‌های هسته‌ای کوچک خود در نزدیکی مراکز داده‌شان و حتی راه‌اندازی مجدد یکی از رآکتورهای هسته‌ای سالم در جزیره تری مایل است که از سال 2019 تعطیل شده است. سانحه انرژی هسته ای.) نیاز به برق رسانی به هوش مصنوعی باعث تاخیر در تعطیلی برنامه ریزی شده برخی شده است. نیروگاه های زغال سنگ و افزایش قیمت ها برای مصرف کنندگان مسکونی. برآورده کردن نیازهای مراکز داده نه تنها شبکه های برق را تحت فشار قرار می دهد، بلکه انتقال به انرژی پاک مورد نیاز برای توقف تغییرات آب و هوایی را به عقب می اندازد.

مشکل مرکز داده از منظر قدرت جنبه های زیادی دارد. در اینجا برخی از آنها وجود دارد که محققان MIT روی آنها تمرکز دارند onو چرا آنها مهم هستند.

افزایش بی سابقه تقاضا برای برق

ویلیام اچ. گرین، مدیر MITEI و پروفسور Hoyt C. Hottel در بخش مهندسی شیمی MIT، می گوید: «در گذشته، محاسبات کاربر قابل توجهی از برق نبود. «الکتریسیته برای اجرای فرآیندهای صنعتی و تأمین انرژی دستگاه‌های خانگی مانند تهویه مطبوع و چراغ‌ها و اخیراً برای تأمین انرژی پمپ‌های حرارتی و شارژ خودروهای الکتریکی استفاده می‌شد. اما اکنون به طور ناگهانی، برق مورد استفاده برای محاسبات به طور کلی، و توسط مراکز داده به طور خاص، تبدیل به یک تقاضای عظیم جدید شده است که هیچ کس پیش بینی نمی کرد.

چرا فقدان آینده نگری؟ معمولاً تقاضا برای برق تقریباً نیم درصد در سال افزایش می‌یابد و شرکت‌های آب و برق ژنراتورهای برق جدید وارد می‌کنند و سرمایه‌گذاری‌های دیگری را در صورت نیاز انجام می‌دهند تا تقاضای جدید مورد انتظار را برآورده کنند. اما مراکز داده ای که اکنون آنلاین می شوند، جهش های بی سابقه ای در تقاضا ایجاد می کنند که اپراتورها آن را نمی دیدند. علاوه بر این، تقاضای جدید ثابت است. بسیار مهم است که یک مرکز داده خدمات خود را در تمام روز و هر روز ارائه دهد. هیچ وقفه‌ای در پردازش مجموعه‌های داده بزرگ، دسترسی به داده‌های ذخیره‌شده، و اجرای تجهیزات خنک‌کننده مورد نیاز برای دور نگه داشتن همه رایانه‌های بسته‌بندی شده بدون گرم شدن بیش از حد وجود ندارد.

دیپجیوتی دکا، دانشمند تحقیقاتی MITEI، توضیح می‌دهد که حتی اگر الکتریسیته کافی تولید شود، رساندن آن به جایی که لازم است ممکن است مشکل ساز باشد. شبکه یک عملیات در سطح شبکه است و اپراتور شبکه ممکن است در مکان دیگری یا حتی در جای دیگر کشور تولید کافی داشته باشد، اما سیم ها ممکن است ظرفیت کافی برای حمل برق به جایی که می خواهند را نداشته باشند. بنابراین ظرفیت انتقال باید افزایش یابد – و به گفته دکا، این سرعت کند است process.

سپس “صف اتصال متقابل” وجود دارد. گاهی اوقات، افزودن یک کاربر جدید (یک “بار”) یا یک ژنراتور جدید به یک شبکه موجود می تواند باعث ناپایداری یا مشکلات دیگری برای همه افراد شود. روی شبکه در این شرایط، آنلاین کردن یک مرکز داده جدید ممکن است به تاخیر بیفتد. تأخیر کافی می تواند منجر به بارهای جدید یا ژنراتورها شود که در صف بایستند و منتظر نوبت خود باشند. در حال حاضر، بخش عمده ای از صف اتصالات با پروژه های جدید خورشیدی و بادی پر شده است. این تاخیر اکنون حدود پنج سال است. پاسخگویی به تقاضای مراکز داده تازه نصب شده در عین حصول اطمینان از اینکه کیفیت خدمات در جاهای دیگر مختل نمی شود، مشکلی است که باید برطرف شود.

یافتن منابع برق پاک

برای پیچیده‌تر کردن این چالش، بسیاری از شرکت‌ها – از جمله به اصطلاح «هیپر مقیاس‌کننده‌ها» مانند گوگل، مایکروسافت و آمازون – متعهد شده‌اند که تا 10 سال آینده انتشار کربن خالص صفر داشته باشند. بسیاری با خرید «قراردادهای خرید نیرو» در جهت دستیابی به اهداف انرژی پاک خود گام برداشته اند. آنها قراردادی را برای خرید برق از مثلاً تأسیسات خورشیدی یا بادی امضا می‌کنند و گاهی اوقات بودجه تأسیساتی را که قرار است ساخته شود تأمین می‌کنند. اما این رویکرد برای دسترسی به انرژی پاک محدودیت‌های خود را در مواجهه با تقاضای شدید برق یک مرکز داده دارد.

در همین حال، افزایش مصرف برق باعث به تعویق افتادن تعطیلی کارخانه زغال سنگ در بسیاری از ایالت ها شده است. به سادگی منابع انرژی تجدیدپذیر کافی برای خدمت رسانی به ابر مقیاس کننده ها و کاربران موجود، از جمله مصرف کنندگان فردی وجود ندارد. در نتیجه، نیروگاه‌های معمولی که با سوخت‌های فسیلی مانند زغال‌سنگ کار می‌کنند بیش از هر زمان دیگری مورد نیاز هستند.

از آنجایی که هایپرمقیاس کننده ها به دنبال منابع انرژی پاک برای مراکز داده خود هستند، یکی از گزینه ها می تواند ساخت تاسیسات بادی و خورشیدی خود باشد. اما چنین تأسیساتی فقط به صورت متناوب برق تولید می کنند. با توجه به نیاز به برق بدون وقفه، مرکز داده باید واحدهای ذخیره انرژی را که گران هستند نگهداری کند. در عوض می توانستند تکیه کنند روی ژنراتورهای گاز طبیعی یا دیزلی برای backup قدرت – اما این دستگاه ها باید با تجهیزاتی برای ضبط انتشار کربن، به علاوه یک مکان در نزدیکی برای دفع دائمی کربن جذب شده همراه شوند.

به دلیل چنین عوارضی، چندین نفر از مقیاس‌کننده‌های بزرگ به انرژی هسته‌ای روی می‌آورند. همانطور که گرین خاطرنشان می کند، “انرژی هسته ای به خوبی با تقاضای مراکز داده مطابقت دارد، زیرا نیروگاه های هسته ای می توانند انرژی زیادی را به طور قابل اعتماد و بدون وقفه تولید کنند.”

مایکروسافت در اقدامی که در ماه سپتامبر بسیار تبلیغ شده بود، پس از بازگشایی مجدد یکی از راکتورهای صدمه‌نخورده در نیروگاه هسته‌ای خود در جزیره تری مایل، محل حادثه هسته‌ای بسیار معروف، مایکروسافت قراردادی را برای خرید برق به مدت 20 سال امضا کرد. 1979. اگر توسط تنظیم کننده ها تایید شود، Constellation آن راکتور را تا سال 2028 آنلاین خواهد کرد و مایکروسافت تمام برق تولیدی خود را خریداری خواهد کرد. آمازون همچنین به توافقی برای خرید برق تولید شده توسط یک نیروگاه هسته ای دیگر دست یافت که به دلیل مشکلات مالی تهدید به تعطیلی می شود. و در اوایل دسامبر، متا درخواستی را برای پیشنهادهایی برای شناسایی توسعه دهندگان انرژی هسته ای منتشر کرد تا به شرکت کمک کند نیازهای هوش مصنوعی و اهداف پایداری آنها را برآورده کند.

سایر محورهای اخبار هسته ای روی راکتورهای هسته‌ای مدولار کوچک (SMR)، نیروگاه‌های ماژولار کارخانه‌ای که می‌توانند در نزدیکی مراکز داده نصب شوند، به طور بالقوه بدون هزینه‌های بیش از حد و تاخیرهایی که اغلب در ساخت نیروگاه‌های بزرگ تجربه می‌شوند. گوگل اخیراً ناوگانی از SMR ها را برای تولید برق مورد نیاز مراکز داده خود سفارش داده است. اولین مورد تا سال 2030 و بقیه تا سال 2035 تکمیل خواهد شد.

برخی از هایپراسکیلسرها شرط بندی می کنند روی فن آوری های جدید به عنوان مثال، گوگل در حال پیگیری پروژه های نسل بعدی زمین گرمایی است و مایکروسافت قراردادی را برای خرید برق از نیروگاه همجوشی یک استارتاپ که از سال 2028 آغاز می شود امضا کرده است – حتی اگر فناوری همجوشی هنوز به نمایش گذاشته نشده باشد.

کاهش تقاضای برق

سایر رویکردها برای تامین برق تمیز کافی روی باعث می‌شود مرکز داده و عملیاتی که در آن نگهداری می‌شود، انرژی کارآمدتر باشد تا بتوان همان وظایف محاسباتی را با استفاده از توان کمتر انجام داد. استفاده از تراشه‌های کامپیوتری سریع‌تر و الگوریتم‌های بهینه‌سازی که انرژی کمتری مصرف می‌کنند، در حال حاضر به کاهش بار و همچنین گرمای تولید شده کمک می‌کنند.

ایده دیگری که در حال آزمایش است شامل تغییر وظایف محاسباتی به زمان ها و مکان هایی است که انرژی بدون کربن در دسترس است روی شبکه دکا توضیح می‌دهد: «اگر یک کار نباید فوراً انجام شود، بلکه باید در یک مهلت مشخص انجام شود، آیا می‌توان آن را به تأخیر انداخت یا به یک مرکز داده در جای دیگری در ایالات متحده یا خارج از کشور منتقل کرد، جایی که برق فراوان‌تر، ارزان‌تر و/یا پاک کننده؟ این رویکرد به عنوان «محاسبات آگاه از کربن» شناخته می‌شود. دکا می‌گوید: ما هنوز مطمئن نیستیم که آیا می‌توان هر کار را به راحتی جابه‌جا کرد یا به تأخیر انداخت. «اگر به یک کار مبتنی بر هوش مصنوعی فکر می‌کنید، آیا می‌توان آن را به راحتی به کارهای کوچکی تقسیم کرد که می‌توان آنها را به نقاط مختلف کشور برد، با استفاده از انرژی پاک حل کرد و سپس دوباره گرد هم آورد؟ هزینه انجام این نوع تقسیم وظایف چقدر است؟»

البته این رویکرد به دلیل مشکل صف اتصال محدود است. دسترسی به انرژی پاک در منطقه یا ایالت دیگر دشوار است. اما تلاش‌هایی برای تسهیل چارچوب نظارتی در حال انجام است تا اطمینان حاصل شود که اتصالات مهم می‌تواند سریع‌تر و آسان‌تر توسعه یابد.

در مورد همسایه ها چطور؟

یکی از نگرانی‌های اصلی که در تمام گزینه‌ها برای تامین انرژی مراکز داده وجود دارد، تأثیر آن است روی مصرف کنندگان انرژی مسکونی هنگامی که یک مرکز داده وارد یک محله می شود، نه تنها نگرانی های زیبایی شناختی بلکه نگرانی های عملی بیشتری نیز وجود دارد. آیا خدمات برق محلی کمتر قابل اعتماد خواهد شد؟ خطوط انتقال جدید در کجا قرار خواهد گرفت؟ و چه کسی هزینه ژنراتورهای جدید، ارتقاء تجهیزات موجود و غیره را پرداخت خواهد کرد روی? هنگامی که تأسیسات تولیدی جدید یا کارخانه های صنعتی وارد یک محله می شوند، جنبه های منفی عموماً با در دسترس بودن مشاغل جدید جبران می شود. در مورد یک مرکز داده که ممکن است به چند ده کارمند نیاز داشته باشد، اینطور نیست.

قوانین استانداردی درباره روش تقسیم و تخصیص هزینه های نگهداری و ارتقا وجود دارد. اما با وجود یک مرکز داده جدید، وضعیت کاملاً تغییر کرده است. در نتیجه، شرکت‌های برق اکنون باید ساختار نرخ سنتی خود را بازنگری کنند تا بار غیرمجاز را تحمیل نکنند. روی ساکنان برای تغییرات زیرساختی مورد نیاز پرداخت کنند host مراکز داده

کمک های MIT

در MIT، محققان در حال فکر کردن و بررسی طیف وسیعی از گزینه‌ها برای مقابله با مشکل تامین انرژی پاک برای مراکز داده هستند. به عنوان مثال، آنها در حال بررسی طرح‌های معماری هستند که از تهویه طبیعی برای تسهیل خنک‌سازی استفاده می‌کنند، چیدمان تجهیزاتی که جریان هوا و توزیع برق بهتر را ممکن می‌سازد، و سیستم‌های تهویه مطبوع با کارآمدی بسیار بالا. روی مواد جدید آنها در حال ایجاد ابزارهای تحلیلی جدید برای ارزیابی تأثیر استقرار مراکز داده هستند روی سیستم قدرت ایالات متحده و برای یافتن کارآمدترین راه‌ها برای تامین انرژی پاک تاسیسات. کار دیگر به چگونگی تطبیق خروجی راکتورهای هسته ای کوچک با نیازهای یک مرکز داده و چگونگی سرعت بخشیدن به ساخت چنین راکتورهایی می پردازد.

تیم های MIT نیز تمرکز می کنند روی تعیین بهترین منابع backup قدرت و ذخیره سازی طولانی مدت و روی توسعه سیستم های پشتیبانی تصمیم برای مکان یابی مراکز داده جدید پیشنهادی، با در نظر گرفتن در دسترس بودن برق و آب و همچنین ملاحظات نظارتی، و حتی پتانسیل استفاده از آنچه می تواند گرمای اتلاف قابل توجه باشد، به عنوان مثال، برای گرم کردن ساختمان های مجاور. پروژه‌های توسعه فناوری شامل طراحی تراشه‌های رایانه‌ای سریع‌تر و کارآمدتر و الگوریتم‌های محاسباتی با انرژی کارآمدتر است.

علاوه بر ارائه رهبری و بودجه برای بسیاری از پروژه های تحقیقاتی، MITEI به عنوان یک دعوت کننده عمل می کند و شرکت ها و سهامداران را برای رسیدگی به این موضوع گرد هم می آورد. در کنفرانس تحقیقاتی سالانه MITEI در سال 1403، هیئتی متشکل از نمایندگان دو ابر مقیاس کننده و دو شرکتی که با هم مراکز داده را طراحی و می‌سازند، چالش‌ها، راه‌حل‌های ممکن و جایی که تحقیقات MIT می‌تواند سودمندتر باشد را مورد بحث قرار دادند.

گرین می‌گوید با ادامه ساخت مراکز داده، و محاسبات برای افزایش بی‌سابقه تقاضا برای برق، دانشمندان و مهندسان در حال رقابت برای ارائه ایده‌ها، نوآوری‌ها و فناوری‌هایی هستند که می‌توانند این نیاز را برآورده کنند. زمان برای پیشبرد انتقال به یک سیستم انرژی کربن زدایی شده ادامه می یابد.