Mối lo ngại về tiêu thụ năng lượng của AI

Sự phát triển nhanh chóng của trí tuệ nhân tạo (AI) trong những năm gần đây đã làm dấy lên nhiều cuộc thảo luận, và một trong những vấn đề cốt lõi là mức tiêu thụ năng lượng đáng kinh ngạc của nó. Có người nói đùa rằng, chỉ khi tiền điện đắt hơn bánh mì, AI mới không thể thay thế hoàn toàn con người. Nhưng đằng sau câu nói đùa này là một thực tế không thể bỏ qua trong sự phát triển của AI: mức tiêu thụ năng lượng cao có thể trở thành một nút thắt kìm hãm sự phát triển của nó. Kỹ sư cũ của Google, Kyle Corbitt, đã tiết lộ trên mạng xã hội rằng Microsoft đã gặp khó khăn về điện khi đào tạo GPT-6.

Để đào tạo các mô hình AI lớn, các kỹ sư của Microsoft đang nỗ lực xây dựng mạng InfiniBand để kết nối các GPU phân tán ở các khu vực khác nhau. Công việc này phức tạp là do nếu hơn 100.000 chip H100 được triển khai tập trung trong cùng một khu vực, lưới điện địa phương sẽ bị quá tải và có nguy cơ sụp đổ.

Tại sao lại như vậy? Hãy cùng tính toán đơn giản. Dữ liệu của Nvidia cho thấy, công suất đỉnh của mỗi chip H100 là 700W, vậy công suất tiêu thụ đỉnh của 100.000 chip sẽ lên tới 70 triệu watt. Một số người làm trong ngành năng lượng chỉ ra rằng, mức tiêu thụ năng lượng lớn như vậy tương đương với toàn bộ sản lượng của một nhà máy điện mặt trời hoặc điện gió nhỏ. Ngoài ra, chúng ta cũng phải tính đến năng lượng tiêu thụ của các cơ sở hỗ trợ như máy chủ và thiết bị làm mát. Tất cả các thiết bị tiêu thụ năng lượng này tập trung trong một khu vực nhỏ, áp lực lên lưới điện là điều dễ hiểu.

AI tiêu thụ điện: Phần nổi của tảng băng

Một bài báo trên tờ The New Yorker đã gây ra sự chú ý rộng rãi, ước tính rằng ChatGPT có thể tiêu thụ hơn 500.000 kWh điện mỗi ngày. Mặc dù vậy, mức tiêu thụ điện của AI hiện tại vẫn còn nhỏ so với tiền điện tử và các trung tâm dữ liệu truyền thống. Những khó khăn mà các kỹ sư của Microsoft gặp phải cho thấy rằng, điều hạn chế sự phát triển của AI không chỉ là mức tiêu thụ năng lượng của bản thân công nghệ mà còn bao gồm cả mức tiêu thụ năng lượng của cơ sở hạ tầng hỗ trợ và khả năng chịu tải của lưới điện.

Báo cáo của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) cho thấy, năm 2022, mức tiêu thụ điện của các trung tâm dữ liệu, trí tuệ nhân tạo và tiền điện tử trên toàn cầu đạt 460 TWh, chiếm khoảng 2% tổng mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu. IEA dự đoán, trong trường hợp xấu nhất, đến năm 2026, lượng điện tiêu thụ trong các lĩnh vực này sẽ đạt 1000 TWh, tương đương với lượng điện tiêu thụ của toàn bộ Nhật Bản.

Điều đáng chú ý là mức tiêu thụ năng lượng trực tiếp cho nghiên cứu và phát triển AI hiện nay thấp hơn nhiều so với các trung tâm dữ liệu và tiền điện tử. Nvidia chiếm vị trí chủ đạo trên thị trường máy chủ AI, đã cung cấp khoảng 100.000 chip vào năm 2023, với mức tiêu thụ điện hàng năm khoảng 7,3 TWh. Ngược lại, năng lượng tiêu thụ của tiền điện tử năm 2022 lên tới 110 TWh, tương đương với lượng điện tiêu thụ của toàn bộ Hà Lan.

Tiêu thụ năng lượng làm mát: Không thể bỏ qua

Hiệu quả năng lượng của các trung tâm dữ liệu thường được đo bằng Hiệu quả Sử dụng Năng lượng (PUE), tức là tỷ lệ giữa tổng năng lượng tiêu thụ và năng lượng tiêu thụ của tải IT. Giá trị PUE càng gần 1, càng cho thấy trung tâm dữ liệu lãng phí ít năng lượng hơn. Báo cáo của Uptime Institute cho thấy, năm 2020, giá trị PUE trung bình của các trung tâm dữ liệu lớn trên toàn cầu là khoảng 1,59. Điều này có nghĩa là, cứ mỗi 1 kWh điện mà thiết bị IT của trung tâm dữ liệu tiêu thụ, các thiết bị hỗ trợ của nó sẽ tiêu thụ 0,59 kWh điện.

Trong số năng lượng tiêu thụ thêm của trung tâm dữ liệu, phần lớn được sử dụng cho hệ thống làm mát. Nghiên cứu cho thấy, năng lượng tiêu thụ của hệ thống làm mát có thể chiếm tới 40% tổng năng lượng tiêu thụ của trung tâm dữ liệu. Với sự nâng cấp liên tục của chip, công suất của một thiết bị tăng lên, mật độ công suất của trung tâm dữ liệu cũng không ngừng tăng lên, đặt ra yêu cầu cao hơn về tản nhiệt. Tuy nhiên, bằng cách cải thiện thiết kế của trung tâm dữ liệu, có thể giảm đáng kể sự lãng phí năng lượng.

Giá trị PUE của các trung tâm dữ liệu khác nhau rất khác nhau, tùy thuộc vào các yếu tố như hệ thống làm mát và thiết kế cấu trúc. Báo cáo của Uptime Institute cho thấy, giá trị PUE ở các nước châu Âu đã giảm xuống 1,46, trong khi ở khu vực châu Á - Thái Bình Dương vẫn có hơn 1/10 số trung tâm dữ liệu có giá trị PUE trên 2,19.

Để đạt được mục tiêu tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải, các nước trên thế giới đang thực hiện các biện pháp. Ví dụ, Liên minh châu Âu yêu cầu các trung tâm dữ liệu lớn phải lắp đặt thiết bị thu hồi nhiệt thải; Chính phủ Mỹ đầu tư vào nghiên cứu và phát triển các chất bán dẫn có hiệu quả năng lượng cao hơn; Chính phủ Trung Quốc cũng ban hành chính sách yêu cầu các trung tâm dữ liệu có giá trị PUE không cao hơn 1,3 kể từ năm 2025, và từng bước nâng cao tỷ lệ sử dụng năng lượng tái tạo, đạt 100% vào năm 2032.

Các công ty công nghệ tiêu thụ điện: Tiết kiệm khó, mở rộng càng khó hơn

Với sự phát triển của tiền điện tử và AI, quy mô các trung tâm dữ liệu của các công ty công nghệ lớn không ngừng mở rộng. Theo thống kê của IEA, năm 2022, Mỹ có 2.700 trung tâm dữ liệu, tiêu thụ 4% điện năng của cả nước, và tỷ lệ này dự kiến sẽ đạt 6% vào năm 2026. Do nguồn tài nguyên đất ở bờ biển phía đông và phía tây của Mỹ ngày càng khan hiếm, các trung tâm dữ liệu dần chuyển sang các khu vực miền trung, nhưng nguồn cung cấp điện ở những khu vực này có thể không đáp ứng được nhu cầu.

Một số công ty công nghệ đang cố gắng thoát khỏi sự ràng buộc của lưới điện bằng cách mua điện trực tiếp từ các nhà máy điện hạt nhân nhỏ, nhưng điều này đòi hỏi các thủ tục hành chính phức tạp. Microsoft đang thử nghiệm sử dụng AI để hỗ trợ hoàn thành các đơn đăng ký, trong khi Google sử dụng AI để điều phối các tác vụ tính toán nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của lưới điện và giảm lượng khí thải carbon. Còn việc khi nào phản ứng tổng hợp hạt nhân có kiểm soát có thể được đưa vào ứng dụng thì vẫn còn là một ẩn số.

Biến đổi khí hậu: Thêm dầu vào lửa

Sự phát triển của AI cần sự hỗ trợ của một lưới điện ổn định và mạnh mẽ, nhưng với sự xuất hiện thường xuyên của các hiện tượng thời tiết khắc nghiệt, lưới điện ở nhiều khu vực đang trở nên dễ bị tổn thương hơn. Biến đổi khí hậu dẫn đến các hiện tượng thời tiết khắc nghiệt xảy ra thường xuyên hơn, không chỉ làm tăng nhu cầu sử dụng điện, gây thêm gánh nặng cho lưới điện mà còn tác động trực tiếp đến các cơ sở hạ tầng điện. Báo cáo của IEA chỉ ra rằng, do ảnh hưởng của hạn hán, lượng mưa không đủ và tuyết tan sớm, tỷ trọng thủy điện toàn cầu năm 2023 đã giảm xuống mức thấp nhất trong ba mươi năm qua, dưới 40%.

Khí tự nhiên thường được coi là cầu nối để chuyển sang năng lượng tái tạo, nhưng sự ổn định của nó trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt vào mùa đông là điều đáng lo ngại. Năm 2021, một đợt lạnh đã tấn công bang Texas của Mỹ, gây ra tình trạng mất điện trên diện rộng, một số người dân bị mất điện hơn 70 giờ. Một trong những nguyên nhân chính của thảm họa này là các đường ống dẫn khí tự nhiên bị đóng băng, khiến các nhà máy điện khí tự nhiên phải ngừng hoạt động.

Ủy ban Độ tin cậy Điện lực Bắc Mỹ (NERC) dự đoán, trong giai đoạn 2024-2028, hơn 3 triệu người ở Mỹ và Canada sẽ phải đối mặt với nguy cơ mất điện ngày càng cao. Để đảm bảo an ninh năng lượng, đồng thời đạt được mục tiêu tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải, nhiều quốc gia coi điện hạt nhân là một biện pháp chuyển tiếp. Tại Hội nghị Biến đổi Khí hậu của Liên Hợp Quốc (COP 28) được tổ chức vào tháng 12 năm 2023, 22 quốc gia đã ký tuyên bố chung cam kết đến năm 2050 sẽ tăng gấp 3 lần công suất phát điện hạt nhân so với mức năm 2020. Đồng thời, với việc Trung Quốc, Ấn Độ và các nước khác đang tích cực thúc đẩy xây dựng điện hạt nhân, IEA dự đoán, đến năm 2025, sản lượng điện hạt nhân toàn cầu sẽ đạt mức cao kỷ lục.

Báo cáo của IEA nhấn mạnh: "Trong bối cảnh các mô hình khí hậu thay đổi liên tục, việc tăng cường đa dạng hóa năng lượng, nâng cao khả năng điều phối liên vùng của lưới điện và áp dụng các phương thức phát điện có khả năng chống chịu tốt hơn trở nên vô cùng quan trọng." Đảm bảo cơ sở hạ tầng lưới điện không chỉ liên quan đến sự phát triển của công nghệ AI mà còn liên quan đến đời sống của người dân và sự phát triển của đất nước.