Ненасытная жажда дата-центров: почему вода стала критическим ресурсом для цифровой экономики

С момента появления ChatGPT в 2022 году и последовавшего бурного расширения рынка дата-центров, экологические последствия их работы оказались в центре внимания. Однако опасения вызывает не только энергопотребление. Даже самые технологичные ЦОД расходуют огромное количество пресной воды.

Согласно материалам компании Strategic Thermal Labs из Техаса, в США центры обработки данных ежедневно забирают миллионы литров питьевой воды для систем охлаждения. В отдельных регионах на них может приходиться до 25% всего муниципального водопотребления. С ростом популярности энергоёмких технологий генеративного искусственного интеллекта эта проблема стала ещё острее. В апреле 2024 года появились прогнозы, что к 2030 году водопотребление китайских дата-центров возрастёт вдвое, превысив 3 млрд м³ в год. А в августе того же года стало известно, что ЦОД в штате Вирджиния используют колоссальные объёмы пресной воды, и развитие ИИ лишь усугубляет эту тенденцию.

В предстоящие годы крупнейшие облачные провайдеры и другие операторы планируют строительство гигаваттных дата-центров с миллионами ускорителей, что потребует ещё больше водных ресурсов. Исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде и Техасского университета в Арлингтоне считают, что глобальный спрос на технологии ИИ к 2027 году может привести к расходу от 4,2 до 6,6 млрд м³ воды ежегодно.

Основной причиной такой ситуации являются системы испарительного охлаждения. В них вода забирается из локальных источников, подаётся к серверному оборудованию и испаряется, отводя тепло в атмосферу. Широкое распространение этой технологии среди операторов ЦОД объясняется её высокой эффективностью и низкими энергозатратами на процесс охлаждения. Как сообщает The Register со ссылкой на данные Strategic Thermal Labs, испарение примерно 40 литров воды в минуту достаточно для охлаждения инфраструктуры мощностью 1,5 МВт.

При этом испарительное охлаждение демонстрирует наивысшую эффективность в условиях жаркого и сухого климата пустынь, где водные ресурсы изначально скудны. Более того, от 20 до 30% воды в подобных системах расходуется на промывку от минеральных накоплений и отправляется в системы водоочистки, что создаёт дополнительную проблему по их утилизации. Несмотря на это, эксплуатация испарительных систем обходится дешевле аналогов, они отличаются более высоким коэффициентом полезного действия и низким энергопотреблением. К примеру, компания Digital Realty благодаря мониторингу и автоматизации насосного оборудования сократила водопотребление в системах с испарительным охлаждением на 15% — полностью же отказаться от него практически нереально.

Любые технические решения, даже те, что не используют воду напрямую, в конечном счёте от неё зависят. Возьмём, например, «сухие» системы охлаждения: они потребляют на порядки больше электроэнергии по сравнению с испарительными, что может привести к росту косвенного водного следа. Так, согласно статистике, около 89% электроэнергии в США вырабатывается газовыми, атомными и угольными электростанциями, многие из которых используют паровые турбины, требующие колоссального количества воды. Центры обработки данных, расположенные в регионах с развитой гидроэнергетикой, солнечной и ветровой генерацией, обеспечивают меньший косвенный расход воды, чем те, что питаются, например, от станций на ископаемом топливе.

Примечательно, что при производстве электроэнергии теряется значительно больше воды, чем потребляют современные ЦОДы. Как продемонстрировало исследование Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (LBL) 2016 года, примерно 83% водопотребления ЦОДов связано именно с генерацией энергии для их работы. Иными словами, применение энергоёмких систем «безводного» охлаждения данных в итоге приводит… к увеличению общего расхода воды. Впрочем, речь может идти о «чужой» воде в другом месте — электростанции зачастую находятся далеко от ЦОДов и обычно забирают воду из рек и озёр. Операторы центров обработки данных хорошо осознают эту связь, стремясь нивелировать учёт водопотребления по категориям Scope 2 и 3.

Для снижения прямого и опосредованного водопотребления рекомендуется, к примеру, повсеместное применение свободного охлаждения там, где это осуществимо. Однако подходящий для дата-центров климат, без изнуряющей жары и сильных морозов, встречается не повсюду. В этом плане преимущество имеют североевропейские государства, богатые гидроэлектростанциями и прочими возобновляемыми ресурсами. Поэтому даже при задействовании дополнительных чиллеров косвенное использование воды останется сравнительно невысоким, а выработанное тепло можно применять для отопления тепличных комплексов, строений, бассейнов и других объектов.

В ситуациях, где свободное охлаждение неэффективно, возможен переход на системы жидкостного охлаждения — как с прямым контактом, так и иммерсионные. Несмотря на то, что «сухие» решения расходуют больше энергии, чем испарительные, итоговое улучшение показателя PUE способно нивелировать эту разницу. К примеру, внедрение прямого жидкостного охлаждения для чипов NVIDIA Blackwell может уменьшить PUE с 1,69–1,44 до 1,1 и менее. Впрочем, конечный баланс определяется множеством условий. Та же NVIDIA пока не поддерживает иммерсионные СЖО, да и среднемировой показатель PUE в последние годы практически стабилизировался.

Хотя многие современные технологии охлаждения требуют модификации инфраструктуры объектов, альтернативой может стать перераспределение рабочих нагрузок между дата-центрами — по аналогии с управлением пиковыми нагрузками в энергосетях. Эффективность использования испарительных установок может колебаться даже в течение суток. Однако многим операторам, например колокейшн-провайдерам, будет сложно достичь высокой эффективности из-за ограниченного контроля над серверным оборудованием и его загрузкой.

Такой подход также может не подходить для инференса, где критически важна скорость выполнения задач. В то же время обучение искусственного интеллекта не столь ограничено по времени и может проводиться удалённо — например, в северных регионах и в заданные периоды. Дообучение моделей требует значительно меньше вычислительных ресурсов, и подобные задачи тоже можно планировать, например на ночные часы, когда температура воздуха ниже, а интенсивность испарения уменьшается.

Ключевое значение имеют источники водоснабжения для дата-центров. В ряде регионов наблюдается дефицит даже питьевой воды. Специалисты советуют операторам инвестировать в опреснительные установки, системы распределения воды, локальные очистные сооружения и другие решения для более активного использования испарительного охлаждения. Согласно некоторым оценкам, опреснение и доставка воды с морского побережья остаётся экономически более выгодной, чем полный отказ от испарительных систем — даже при транспортировке не по трубопроводам, а в цистернах. Вместе с тем, компания Microsoft готовит к запуску дата-центр с практически нулевым водопотреблением, а ранее экспериментировала со сбором дождевой воды. AWS, в свою очередь, пообещала перевести ещё 100 своих центров обработки данных на использование очищенных сточных вод для систем охлаждения.

Оригинальная публикация:

• The Register