Miksi tekoälyn datakeskukset kuluttavat niin paljon vettä?

Tekoälyyn liittyvät työkuormat suoritetaan fyysisillä koneilla. Kun GPU:t, CPU:t, muisti, tallennuslaitteet ja verkkolaitteet kuluttavat sähköä, lähes koko tämä sähköenergia muuttuu lopulta lämmöksi datakeskuksen sisällä.

Tavallinen verkkopalvelin pystyy käsittelemään kevyitä pyyntöjä, mutta tekoälyn koulutus ja päättely voivat pitää kiihdyttimet korkealla käyttöasteella pitkiä aikoja. Tiheästi pakatut GPU-telineet tuottavat huomattavasti enemmän lämpöä pienemmässä tilassa kuin perinteiset yrityskäyttöön tarkoitetut IT-laitteet.

Jäähdytys ei siis ole valinnainen mukavuusjärjestelmä. Se on osa infrastruktuuria, jota tarvitaan pitämään sirut turvallisissa käyttölämpötiloissa, estämään suorituskyvyn rajoittumista, suojaamaan laitteistoa ja varmistamaan luotettavan palvelun käyttäjille.

Nykyaikaisissa tekoälykeskuksissa tuhansia GPU-prosessoreita ryhmitellään usein klustereiksi. Nämä GPU-prosessorit on suunniteltu rinnakkaislaskentaan, minkä vuoksi ne ovat niin hyödyllisiä neuroverkkojen kouluttamisessa ja päättelytehtävien suorittamisessa.

Sama tiheys, joka tekee tekoälyinfrastruktuurista tehokkaan, aiheuttaa myös lämpökuormitusta. Enemmän kiihdyttimiä telineessä tarkoittaa suurempaa virrankulutusta, laajempaa verkkoinfrastruktuuria, enemmän muistia ja enemmän lämpöä, joka on johdettava pois palvelimista.

Tästä syystä tekoälyn datakeskukset ovat tiiviisti sidoksissa sekä sähkönsaantiin että jäähdytyskapasiteettiin. Tontilla voi olla riittävästi tilaa tai kuituyhteyksiä, mutta sen toimintaa voivat silti rajoittaa käytettävissä oleva sähköteho, lämmönpoistokapasiteetti tai paikalliset vesihuollon näkökohdat.

Vesi on hyödyllistä jäähdytyksessä, koska se siirtää lämpöä tehokkaasti. Monissa datakeskuksissa käytetään jäähdytysvesikiertoja, jäähdytystorneja, haihdutusjäähdytystä tai hybridijärjestelmiä, joissa yhdistetään ilma- ja vesijäähdytystä ulko-olosuhteiden mukaan.

Haihdutusjärjestelmässä osa vedestä haihdutetaan tarkoituksella lämmön poistamiseksi. Tämä voi vähentää mekaaniseen jäähdytykseen tarvittavaa sähköä, etenkin verrattuna jäähdytyskoneiden kovaan käyttöön lämpimissä olosuhteissa, mutta se voi lisätä paikallista vedenkulutusta.

Kaikki datakeskukset eivät käytä samaa suunnitteluratkaisua. Jotkut laitokset luottavat enemmän ilmanjäähdytykseen, toiset käyttävät suljetun kierron nestejäähdytystä sirujen läheisyydessä, ja toiset taas kierrätettyä tai ei-juomakelpoista vettä. Veden jalanjälki riippuu jäähdytysarkkitehtuurista, ilmastosta ja toimintastrategiasta.

Suoralla vedenkulutuksella tarkoitetaan datakeskuksen tiloissa kulutettua vettä, jota käytetään yleensä jäähdytykseen tai kosteuden säätelyyn. Tämä on ongelman näkyvin osa, etenkin kun laitos käyttää haihdutusjäähdytystä alueella, jossa vesi on niukkaa.

Myös välillinen vedenkäyttö voi olla merkittävää. Sähkön tuotanto voi vaatia vettä voimalaitoksen jäähdytykseen tai polttoaineen tuotantoon, riippuen paikallisesta sähköverkosta. Tietokeskus, joka käyttää paikan päällä vain vähän vettä, voi silti olla yhteydessä vedenkäyttöön sen kuluttaman sähkön kautta.

Tämä on yksi syy siihen, miksi julkiset arviot vaihtelevat suuresti. Vakavassa arvioinnissa on täsmennettävä, otetaanko huomioon paikan päällä käytetty vesi, toimitusketjun vesi, sähköntuotantoon liittyvä vesi, vedenotto, kulutus vai kaikki nämä kategoriat.

Viileällä, vesirikkaalla alueella kulutettu litra vettä ei aiheuta samoja paikallisia vaikutuksia kuin litra, joka kulutetaan kuumalla, kuivalla alueella, jossa vesistöalueet ovat kuormitettuja. Samalla jäähdytystekniikalla voi siis olla hyvin erilaisia seurauksia sijainnista riippuen.

Ilmasto vaikuttaa siihen, kuinka usein hyödynnetään vapaajäähdytystä, haihdutusjäähdytystä tai mekaanista jäähdytystä. Sähköverkoston energialähteiden koostumus vaikuttaa hiilipäästöihin. Paikallinen veden saatavuus vaikuttaa siihen, onko lisäkulutuksen tarve vähäinen, kiistanalainen vai toiminnallisesti vaikea toteuttaa.

Tämän vuoksi datakeskuksen kestävyyttä ei voida tiivistää yhteen ainoaan globaaliin lukuun. Oleellinen kysymys ei ole pelkästään se, kuinka paljon vettä käytetään, vaan myös se, missä ja milloin sitä käytetään sekä mitä vaihtoehtoisia jäähdytys- tai energiaratkaisuja oli käytettävissä.

Vedenkulutuksen vähentäminen voi toisinaan lisätä sähkönkulutusta. Esimerkiksi suunnittelu, jossa vältetään haihdutusjäähdytystä, saattaa nojautua voimakkaammin mekaanisiin jäähdytyslaitteisiin, mikä voi lisätä energiankulutusta kuumina aikoina.

Myös päinvastainen tilanne on mahdollinen: veden käyttö haihdutusjäähdytykseen voi vähentää sähkönkulutusta ja siten myös päästöjä, jos sähköverkko on hiili-intensiivinen. Kumpi vaihtoehto on parempi, riippuu paikallisesta vesipulasta, sähköverkon hiili-intensiteetistä, sääolosuhteista ja laitteistotiheydestä.

Siksi avoin raportointi on tärkeää. Energiatehokkuutta mittaava PUE-indikaattori ja vedenkäyttöä mittaava WUE-indikaattori ovat hyödyllisiä, mutta ne on asetettava paikalliseen kontekstiin. Vettä säästävä suunnittelu ei automaattisesti tarkoita vähähiilistä suunnittelua, eikä vähän energiaa kuluttava suunnittelu automaattisesti tarkoita vettä säästävää suunnittelua.

Kyllä, mutta yhtä ainoaa yleispätevää ratkaisua ei ole. Vaihtoehtoja ovat muun muassa parempi ilmavirtauksen hallinta, korkeammat käyttölämpötilat, suljetun kierron nestejäähdytys, kuivajäähdyttimet, kierrätetty vesi, ei-juomakelpoinen vesi, paremmat sijoituspäätökset ja tehokkaampi tekoälylaitteisto.

Myös tekoälymallien optimointi on tärkeää. Pienemmät mallit, tehokas päättely, eräajot, välimuistien käyttö ja laitteiston erikoistuminen voivat vähentää tietyn palvelun laskentatarvetta, mikä puolestaan vähentää epäsuorasti lämmönkehitystä ja jäähdytystarpeita.

Samalla kokonaiskysyntä voi kuitenkin edelleen kasvaa, jos tekoälyn käyttö yleistyy nopeammin kuin tehokkuus paranee. Käytännön tavoitteena ei siis ole pelkästään tehokkaampi jäähdytys, vaan myös parempi tiedonanto, huolellinen sijoituspaikan valinta sekä infrastruktuurin suunnittelu, jossa otetaan huomioon paikallinen vesipula.