A demanda por IA coloca mais pressão sobre o uso de energia dos data centers. A questão é: como torná-los mais sustentáveis?

O boom da inteligência artificial teve um efeito tão profundo nas grandes empresas de tecnologia que seu consumo de energia e, com ele, suas emissões de carbono aumentaram.

O sucesso espetacular de grandes modelos de linguagem como o ChatGPT ajudou a alimentar esse crescimento na demanda de energia. Com 2,9 watts-hora por solicitação do ChatGPT, as consultas de IA exigem cerca de 10 vezes mais eletricidade do que as consultas tradicionais do Google, de acordo com o Electric Power Research Institute, uma empresa de pesquisa sem fins lucrativos. Os recursos emergentes de IA, como a geração de áudio e vídeo, provavelmente aumentarão essa demanda de energia.

As necessidades energéticas da IA estão mudando o cálculo das empresas de energia. Eles agora estão explorando opções anteriormente insustentáveis, como reiniciar um reator nuclear na usina de Three Mile Island, que está adormecida desde o infame desastre de 1979.

Os data centers tiveram um crescimento contínuo por décadas, mas a magnitude do crescimento na era ainda jovem dos grandes modelos de linguagem foi excepcional. A IA requer muito mais recursos computacionais e de armazenamento de dados do que a taxa de crescimento pré-IA do data center poderia fornecer.

A IA E A GRADE

Graças à IA, a rede elétrica – em muitos lugares já perto de sua capacidade ou propensa a desafios de estabilidade – está sofrendo mais pressão do que antes. Há também uma defasagem substancial entre o crescimento da computação e o crescimento da rede. Os data centers levam de um a dois anos para serem construídos, enquanto a adição de nova energia à rede requer mais de quatro anos.

Como mostra um relatório recente do Electric Power Research Institute, apenas 15 estados contêm 80% dos data centers nos EUA. Alguns estados – como a Virgínia, que abriga o Data Center Alley – surpreendentemente têm mais de 25% de sua eletricidade consumida por data centers. Há tendências semelhantes de crescimento de data centers em cluster em outras partes do mundo.

Junto com a necessidade de adicionar mais geração de energia para sustentar esse crescimento, quase todos os países têm metas de descarbonização. Isso significa que eles estão se esforçando para integrar mais fontes de energia renováveis à rede. Energias renováveis, como eólica e solar, são intermitentes: o vento nem sempre sopra e o sol nem sempre brilha. A escassez de armazenamento de energia barato, verde e escalável significa que a rede enfrenta um problema ainda maior para combinar a oferta com a demanda.

Desafios adicionais para o crescimento do data center incluem o aumento do uso de resfriamento de água para eficiência, o que sobrecarrega fontes limitadas de água doce. Como resultado, algumas comunidades estão rechaçando novos investimentos em data centers.

MELHOR TECNOLOGIA

Há várias maneiras pelas quais a indústria está lidando com essa crise energética. Primeiro, o hardware de computação tornou-se substancialmente mais eficiente em termos de energia ao longo dos anos em termos das operações executadas por watt consumido. A eficiência do uso de energia dos data centers, uma métrica que mostra a proporção de energia consumida para computação versus resfriamento e outras infraestruturas, foi reduzida para 1,5 em média, e até mesmo para impressionantes 1,2 em instalações avançadas. Os novos data centers têm resfriamento mais eficiente usando resfriamento a água e ar frio externo quando disponível.

Infelizmente, a eficiência por si só não vai resolver o problema da sustentabilidade. Na verdade,  a eficiência pode resultar em um aumento do consumo de energia a longo prazo. Além disso, os ganhos de eficiência de hardware diminuíram substancialmente, à medida que a indústria atingiu os limites do dimensionamento da tecnologia de chips.

Para continuar melhorando a eficiência, os pesquisadores estão projetando hardware especializado, como aceleradores, novas tecnologias de integração, como chips 3D, e novas técnicas de resfriamento de chips.

Da mesma forma, os pesquisadores estão cada vez mais estudando e desenvolvendo tecnologias de resfriamento de data centers. O relatório do Electric Power Research Institute endossa novos métodos de resfriamento, como resfriamento líquido assistido por ar e resfriamento por imersão. Embora o resfriamento líquido já tenha chegado aos data centers, apenas alguns novos data centers implementaram o resfriamento por imersão ainda em desenvolvimento.

Executar servidores de computador em um líquido – em vez de no ar – poderia ser uma maneira mais eficiente de resfriá-los.

FUTURO FLEXÍVEL

Uma nova maneira de construir data centers de IA é a computação flexível, onde a ideia-chave é computar mais quando a eletricidade é mais barata, mais disponível e mais verde, e menos quando é mais cara, escassa e poluente.

Os operadores de data center podem converter suas instalações em uma carga flexível na rede. A academia e a indústria forneceram os primeiros exemplos de resposta à demanda de data centers, em que os data centers regulam sua energia dependendo das necessidades da rede elétrica. Por exemplo, eles podem agendar determinadas tarefas de computação para horários fora de pico.

A implementação de flexibilidade mais ampla e em maior escala no consumo de energia requer inovação em hardware, software e coordenação de rede-data center. Especialmente para IA, há muito espaço para desenvolver novas estratégias para ajustar as cargas computacionais dos data centers e, portanto, o consumo de energia. Por exemplo, os data centers podem reduzir a precisão para reduzir as cargas de trabalho ao treinar modelos de IA.

Realizar essa visão requer uma melhor modelagem e previsão. Os data centers podem tentar entender e prever melhor suas cargas e condições. Também é importante prever a carga e o crescimento da rede.

iniciativa de previsão de carga do Instituto de Pesquisa de Energia Elétrica envolve atividades para ajudar no planejamento e nas operações da rede. Monitoramento abrangente e análise inteligente – possivelmente contando com IA – tanto para data centers quanto para a rede são essenciais para previsões precisas.

NO LIMITE

Os EUA estão em um momento crítico com o crescimento explosivo da IA. É imensamente difícil integrar centenas de megawatts de demanda de eletricidade em redes já sobrecarregadas. Talvez seja hora de repensar como a indústria constrói data centers.

Uma possibilidade é construir de forma sustentável mais data centers de borda – instalações menores e amplamente distribuídas – para levar a computação às comunidades locais. Os data centers de borda também podem adicionar poder de computação de forma confiável a regiões urbanas densas sem estressar ainda mais a rede. Embora esses centros menores representem atualmente 10% dos data centers nos EUA, analistas projetam que o mercado de data centers de borda de menor escala cresça mais de 20% nos próximos cinco anos.

Junto com a conversão de data centers em cargas flexíveis e controláveis, inovar no espaço do data center de borda pode tornar as demandas de energia da IA muito mais sustentáveis.

 

Ayse Coskun é professora de engenharia elétrica e de computação na Universidade de Boston.

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