Энергопотребление ИИ: Насколько оно велико?

В последние годы стремительное развитие искусственного интеллекта (ИИ) вызвало широкие дискуссии, и одним из ключевых вопросов является его поразительное энергопотребление. Кто-то в шутку говорит, что только когда электричество будет дороже хлеба, ИИ не сможет полностью заменить человека. Но за этой шуткой кроется реальность, которую нельзя игнорировать: высокое энергопотребление может стать узким местом в его развитии. Бывший инженер Google Кайл Корбитт сообщил в социальных сетях, что Microsoft столкнулась с проблемами электроснабжения при обучении GPT-6.

Для обучения крупных моделей ИИ инженеры Microsoft прилагают усилия по созданию сети InfiniBand, чтобы соединить графические процессоры (GPU), расположенные в разных регионах. Эта работа настолько сложна, потому что, если более 100 000 чипов H100 будут развернуты в одном регионе, местная электросеть окажется перегруженной и столкнется с риском коллапса.

Почему так происходит? Давайте проведем простой расчет. По данным Nvidia, пиковая мощность каждого чипа H100 составляет 700 Вт, поэтому пиковая мощность 100 000 чипов составит 70 миллионов ватт. Эксперты энергетической отрасли отмечают, что такое огромное энергопотребление эквивалентно полной мощности небольшой солнечной или ветряной электростанции. Кроме того, необходимо учитывать энергопотребление серверов и охлаждающего оборудования. Все эти энергоемкие устройства, сосредоточенные в одном небольшом районе, создают значительное давление на электросети.

Энергопотребление ИИ: Вершина айсберга

В статье журнала The New Yorker, вызвавшей широкий общественный резонанс, подсчитано, что ежедневное энергопотребление ChatGPT может превышать 500 000 кВтч. Тем не менее, в настоящее время энергопотребление ИИ все еще меркнет по сравнению с криптовалютами и традиционными центрами обработки данных. Трудности, с которыми столкнулись инженеры Microsoft, показывают, что ограничением для развития ИИ является не только энергопотребление самой технологии, но и энергопотребление сопутствующей инфраструктуры, а также пропускная способность электросетей.

В отчете Международного энергетического агентства (МЭА) говорится, что в 2022 году мировое потребление электроэнергии центрами обработки данных, искусственным интеллектом и криптовалютами достигло 460 ТВтч, что составляет около 2% от мирового энергопотребления. МЭА прогнозирует, что в худшем случае к 2026 году потребление электроэнергии в этих областях достигнет 1000 ТВтч, что эквивалентно потреблению всей Японии.

Стоит отметить, что в настоящее время энергопотребление, непосредственно вкладываемое в исследования ИИ, намного ниже, чем энергопотребление центров обработки данных и криптовалют. Nvidia доминирует на рынке серверов ИИ, поставив около 100 000 чипов в 2023 году с годовым потреблением электроэнергии около 7,3 ТВтч. Для сравнения, в 2022 году энергопотребление криптовалют составило 110 ТВтч, что эквивалентно энергопотреблению всей Голландии.

Энергопотребление систем охлаждения: Нельзя игнорировать

Энергоэффективность центров обработки данных обычно измеряется с помощью коэффициента эффективности использования энергии (PUE), который представляет собой отношение всего потребляемого электричества к энергии, потребляемой ИТ-нагрузкой. Чем ближе значение PUE к 1, тем меньше энергии тратится впустую в центре обработки данных. Отчет Uptime Institute показывает, что в 2020 году среднее значение PUE для крупных центров обработки данных во всем мире составляло около 1,59. Это означает, что на каждый 1 кВтч, потребляемый ИТ-оборудованием в центре обработки данных, его вспомогательное оборудование потребляет 0,59 кВтч.

Большая часть дополнительного энергопотребления центров обработки данных приходится на системы охлаждения. Исследования показывают, что системы охлаждения потребляют до 40% от общего энергопотребления центра обработки данных. По мере постоянного совершенствования чипов, увеличения мощности отдельных устройств, плотность мощности центров обработки данных также постоянно увеличивается, что предъявляет более высокие требования к рассеиванию тепла. Однако за счет улучшения конструкции центров обработки данных можно значительно сократить потери энергии.

Значения PUE в разных центрах обработки данных значительно различаются в зависимости от таких факторов, как системы охлаждения и конструкция. Отчет Uptime Institute показывает, что значения PUE в европейских странах снизились до 1,46, в то время как в Азиатско-Тихоокеанском регионе более чем у 10% центров обработки данных значения PUE превышают 2,19.

Для достижения целей энергосбережения и сокращения выбросов страны всего мира принимают меры. Например, Европейский Союз требует от крупных центров обработки данных установки оборудования для утилизации отработанного тепла; правительство США инвестирует в исследования и разработки более энергоэффективных полупроводников; правительство Китая также ввело политику, требующую от центров обработки данных с 2025 года иметь значение PUE не выше 1,3 и постепенно увеличивать долю использования возобновляемых источников энергии до 100% к 2032 году.

Энергопотребление технологических компаний: Трудно экономить, еще труднее наращивать

С развитием криптовалют и ИИ масштабы центров обработки данных крупных технологических компаний продолжают расти. По данным МЭА, в 2022 году в США насчитывалось 2700 центров обработки данных, на которые приходилось 4% электроэнергии страны, и ожидается, что к 2026 году эта доля достигнет 6%. Поскольку земельные ресурсы на восточном и западном побережьях США становятся все более дефицитными, центры обработки данных постепенно перемещаются в центральные регионы, но электроснабжение этих регионов может оказаться недостаточным для удовлетворения спроса.

Некоторые технологические компании пытаются выйти из-под контроля электросетей и напрямую покупать электроэнергию у малых атомных электростанций, но это требует сложных административных процедур. Microsoft пытается использовать ИИ для помощи в подаче заявок, а Google использует ИИ для планирования вычислительных задач, чтобы повысить эффективность работы электросетей и снизить выбросы углекислого газа. Что касается того, когда управляемый термоядерный синтез сможет быть введен в эксплуатацию, это пока неизвестно.

Глобальное потепление: Усугубление ситуации

Развитие ИИ требует стабильной и надежной поддержки электросетей, но по мере учащения экстремальных погодных явлений электросети во многих регионах становятся все более уязвимыми. Глобальное потепление приводит к учащению экстремальных погодных явлений, что не только увеличивает потребность в электроэнергии и нагрузку на электросети, но и напрямую влияет на инфраструктуру электросетей. В отчете МЭА отмечается, что из-за засухи, недостатка осадков и преждевременного таяния снега доля мировой выработки гидроэлектроэнергии в 2023 году упала до самого низкого уровня за тридцать лет, составив менее 40%.

Природный газ обычно рассматривается как мост для перехода к возобновляемым источникам энергии, но его стабильность вызывает опасения в условиях экстремальных погодных условий зимой. В 2021 году холодная волна обрушилась на штат Техас в США, вызвав массовые отключения электроэнергии, при этом некоторые жители оставались без электричества более 70 часов. Одной из главных причин этой катастрофы стало замерзание газопроводов, что привело к остановке газовых электростанций.

Североамериканский совет по надежности электроснабжения (NERC) прогнозирует, что в 2024-2028 годах более 3 миллионов человек в США и Канаде столкнутся с повышенным риском отключения электроэнергии. Для обеспечения энергетической безопасности и одновременного достижения энергосбережения и сокращения выбросов многие страны рассматривают атомные электростанции как переходную меру. На Конференции ООН по изменению климата (COP 28), состоявшейся в декабре 2023 года, 22 страны подписали совместное заявление, в котором обязались утроить мощность атомной энергетики к 2050 году по сравнению с уровнем 2020 года. В то же время, поскольку Китай, Индия и другие страны активно продвигают строительство атомных электростанций, МЭА прогнозирует, что к 2025 году мировое производство атомной электроэнергии достигнет исторического максимума.

В отчете МЭА подчеркивается: «В условиях меняющихся климатических условий крайне важно повысить энергетическую диверсификацию, улучшить возможности межрегионального планирования электросетей и принять более устойчивые к потрясениям методы производства электроэнергии». Защита инфраструктуры электросетей касается не только развития технологий ИИ, но и национальных интересов и благосостояния людей.