نگرانی های مصرف برق هوش مصنوعی: چقدر انرژی مصرف می کند؟

مصرف برق هوش مصنوعی: یک مشکل رو به رشد

در سال‌های اخیر، پیشرفت سریع هوش مصنوعی (AI) بحث‌های گسترده‌ای را برانگیخته است و یکی از مسائل محوری، مصرف انرژی شگفت‌انگیز آن است. برخی به شوخی می‌گویند که تنها زمانی هوش مصنوعی نمی‌تواند کاملاً جایگزین انسان شود که هزینه برق از نان هم گران‌تر باشد. این شوخی در واقعیت مهمی را در توسعه هوش مصنوعی نشان می‌دهد: مصرف بالای انرژی می‌تواند مانعی برای رشد آن باشد. کایل کوبیت، مهندس سابق گوگل، در رسانه‌های اجتماعی فاش کرد که مایکروسافت در حین آموزش GPT-6 با مشکلات مربوط به برق مواجه شده است.

برای آموزش مدل‌های بزرگ هوش مصنوعی، مهندسان مایکروسافت در حال تلاش برای ساخت شبکه‌های InfiniBand برای اتصال واحدهای پردازش گرافیکی (GPU) در مناطق مختلف هستند. این کار به این دلیل پیچیده است که اگر بیش از 100000 تراشه H100 در یک منطقه مستقر شوند، شبکه برق محلی تحت فشار قرار گرفته و با خطر فروپاشی مواجه می‌شود.

چرا این اتفاق می افتد؟ بیایید یک محاسبه ساده انجام دهیم. داده‌های انویدیا نشان می‌دهد که حداکثر توان هر تراشه H100 700 وات است، بنابراین حداکثر مصرف برق 100000 تراشه به 70 میلیون وات می‌رسد. کارشناسان صنعت انرژی می‌گویند که این مقدار انرژی معادل کل خروجی یک نیروگاه خورشیدی یا بادی کوچک است. علاوه بر این، باید مصرف برق تاسیسات پشتیبانی مانند سرورها و تجهیزات خنک کننده را نیز در نظر بگیریم. تمرکز تمام این دستگاه های مصرف کننده انرژی در یک منطقه کوچک، فشار زیادی بر شبکه برق وارد می کند.

مصرف برق هوش مصنوعی: نوک کوه یخ

گزارشی در نیویورکر توجه گسترده ای را به خود جلب کرد و تخمین زد که ChatGPT ممکن است روزانه بیش از 500000 کیلووات ساعت برق مصرف کند. با این وجود، مصرف برق فعلی هوش مصنوعی در مقایسه با ارزهای دیجیتال و مراکز داده سنتی هنوز ناچیز است. مشکلاتی که مهندسان مایکروسافت با آن مواجه هستند نشان می دهد که محدودیت توسعه هوش مصنوعی نه تنها مصرف انرژی خود فناوری، بلکه مصرف انرژی زیرساخت های پشتیبانی و ظرفیت شبکه برق را نیز شامل می شود.

گزارش آژانس بین المللی انرژی (IEA) نشان می دهد که در سال 2022، مصرف برق جهانی مراکز داده، هوش مصنوعی و ارزهای دیجیتال به 460 TWh رسیده است که حدود 2 درصد از مصرف جهانی انرژی را تشکیل می دهد. آژانس بین المللی انرژی پیش بینی می کند که در بدترین سناریو، مصرف برق در این زمینه ها تا سال 2026 به 1000 TWh برسد که معادل کل مصرف برق ژاپن است.

شایان ذکر است که مصرف انرژی که مستقیماً برای تحقیق و توسعه هوش مصنوعی سرمایه گذاری می شود، بسیار کمتر از مراکز داده و ارزهای دیجیتال است. انویدیا، که در بازار سرورهای هوش مصنوعی غالب است، در سال 2023 حدود 100000 تراشه عرضه کرده است که مصرف برق سالانه آن حدود 7.3 TWh است. در مقایسه، مصرف انرژی ارزهای دیجیتال در سال 2022 به 110 TWh رسید که معادل کل مصرف برق هلند است.

مصرف انرژی خنک کننده: جنبه ای که نباید نادیده گرفته شود

راندمان انرژی مراکز داده معمولاً با نسبت کارایی مصرف انرژی (PUE) اندازه گیری می شود، که نسبت کل انرژی مصرف شده به انرژی مصرف شده توسط بار IT است. هرچه مقدار PUE به 1 نزدیکتر باشد، نشان می دهد که مرکز داده انرژی کمتری را هدر می دهد. گزارش موسسه Uptime نشان می دهد که میانگین مقدار PUE برای مراکز داده بزرگ جهانی در سال 2020 حدود 1.59 بوده است. این بدان معناست که برای هر 1 کیلووات ساعت انرژی مصرف شده توسط تجهیزات IT مرکز داده، تجهیزات پشتیبانی 0.59 کیلووات ساعت برق مصرف می کنند.

بیشتر انرژی اضافی مصرف شده توسط مراکز داده صرف سیستم های خنک کننده می شود. تحقیقات نشان می دهد که انرژی مصرف شده توسط سیستم های خنک کننده می تواند تا 40 درصد از کل انرژی مصرفی مرکز داده باشد. با ارتقای مداوم تراشه ها، توان یک دستگاه واحد افزایش می یابد و تراکم توان مراکز داده نیز افزایش می یابد که نیازهای بالاتری را برای اتلاف حرارت ایجاد می کند. با این حال، با بهبود طراحی مراکز داده، می توان اتلاف انرژی را به طور قابل توجهی کاهش داد.

مقادیر PUE مراکز داده مختلف بسیار متفاوت است که به عواملی مانند سیستم های خنک کننده و طراحی ساختاری بستگی دارد. گزارش موسسه Uptime نشان می دهد که مقدار PUE کشورهای اروپایی به 1.46 کاهش یافته است، در حالی که بیش از یک دهم مراکز داده در منطقه آسیا و اقیانوسیه هنوز دارای مقدار PUE بیش از 2.19 هستند.

تلاش های جهانی برای صرفه جویی در انرژی و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای

کشورهای سراسر جهان برای دستیابی به اهداف صرفه جویی در انرژی و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای، اقداماتی را انجام می دهند. به عنوان مثال، اتحادیه اروپا به مراکز داده بزرگ دستور داده است تا تجهیزات بازیابی حرارت نصب کنند. دولت ایالات متحده در حال سرمایه گذاری در تحقیق و توسعه نیمه هادی های با راندمان انرژی بالاتر است. دولت چین نیز سیاست هایی را برای الزام مراکز داده برای داشتن مقدار PUE کمتر از 1.3 از سال 2025 و افزایش تدریجی استفاده از انرژی های تجدیدپذیر به 100٪ تا سال 2032 صادر کرده است.

مصرف برق شرکت های فناوری: کاهش مصرف دشوار است، افزایش منابع سخت تر است

با توسعه ارزهای دیجیتال و هوش مصنوعی، مقیاس مراکز داده شرکت های بزرگ فناوری به طور مداوم در حال گسترش است. بر اساس گزارش آژانس بین المللی انرژی، در سال 2022، ایالات متحده 2700 مرکز داده داشت که 4 درصد از برق کل کشور را مصرف می کردند و پیش بینی می شود که این رقم تا سال 2026 به 6 درصد برسد. با توجه به کمبود فزاینده منابع زمین در سواحل شرقی و غربی ایالات متحده، مراکز داده به تدریج به مناطق مرکزی منتقل می شوند، اما ممکن است منابع برق در این مناطق قادر به پاسخگویی به تقاضا نباشند.

برخی از شرکت‌های فناوری در تلاش هستند تا از محدودیت‌های شبکه برق رها شوند و مستقیماً از نیروگاه‌های هسته‌ای کوچک برق بخرند، اما این امر نیازمند فرآیندهای پیچیده تأیید اداری است. مایکروسافت در حال آزمایش استفاده از هوش مصنوعی برای کمک به تکمیل درخواست‌ها است، در حالی که گوگل از هوش مصنوعی برای زمان‌بندی وظایف محاسباتی برای بهبود راندمان شبکه برق و کاهش انتشار کربن استفاده می‌کند. اینکه همجوشی هسته ای قابل کنترل چه زمانی می تواند مورد استفاده قرار گیرد، هنوز مشخص نیست.

گرمایش کره زمین: اضافه شدن نمک به زخم

توسعه هوش مصنوعی به پشتیبانی شبکه برق پایدار و قوی نیاز دارد، اما با وقوع مکرر رویدادهای شدید آب و هوایی، شبکه های برق در بسیاری از مناطق شکننده تر می شوند. گرمایش کره زمین منجر به رویدادهای شدید آب و هوایی مکرر شده است که نه تنها تقاضا برای برق را افزایش می دهد و بار شبکه برق را تشدید می کند، بلکه مستقیماً بر تاسیسات شبکه برق نیز تأثیر می گذارد. گزارش آژانس بین المللی انرژی نشان می دهد که به دلیل خشکسالی، بارندگی ناکافی و ذوب زودهنگام برف، سهم تولید برق آبی جهانی در سال 2023 به پایین ترین حد خود در سی سال گذشته کاهش یافته و به کمتر از 40 درصد رسیده است.

گاز طبیعی معمولاً به عنوان پلی به سمت انرژی های تجدیدپذیر در نظر گرفته می شود، اما پایداری آن در شرایط آب و هوایی شدید زمستانی نگران کننده است. در سال 2021، یک موج سرما به تگزاس در ایالات متحده حمله کرد و منجر به قطعی گسترده برق شد و برخی از ساکنان بیش از 70 ساعت بدون برق بودند. یکی از دلایل اصلی این فاجعه انجماد خطوط لوله گاز طبیعی بود که منجر به تعطیلی نیروگاه های گاز طبیعی شد.

شورای قابلیت اطمینان برق آمریکای شمالی (NERC) پیش بینی می کند که در سال های 2024-2028، بیش از 3 میلیون نفر در ایالات متحده و کانادا با خطر فزاینده قطعی برق مواجه خواهند شد. برای تضمین امنیت انرژی و در عین حال دستیابی به صرفه جویی در انرژی و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای، بسیاری از کشورها نیروگاه های هسته ای را به عنوان یک اقدام موقت می دانند. در کنفرانس تغییرات آب و هوایی سازمان ملل متحد (COP 28) که در دسامبر 2023 برگزار شد، 22 کشور بیانیه مشترکی را امضا کردند و متعهد شدند تا سال 2050 ظرفیت تولید برق هسته ای را به 3 برابر سطح سال 2020 افزایش دهند. در همین حال، با توجه به اینکه کشورهایی مانند چین و هند به شدت در حال ارتقای ساخت نیروگاه های هسته ای هستند، آژانس بین المللی انرژی پیش بینی می کند که تولید برق هسته ای جهانی تا سال 2025 به بالاترین حد خود در تاریخ برسد.

گزارش آژانس بین المللی انرژی تاکید می کند: "در الگوهای آب و هوایی در حال تغییر، افزایش تنوع انرژی، بهبود قابلیت های اعزام منطقه ای شبکه برق و اتخاذ روش های تولید برق مقاوم تر بسیار مهم است." حفاظت از زیرساخت های شبکه برق نه تنها به توسعه فناوری هوش مصنوعی مربوط می شود، بلکه به معیشت ملی نیز مربوط می شود.