З бурхливим розвитком штучного інтелекту по всьому світу активно будуються центри обробки даних, що споживають величезну кількість електроенергії. Прогнозується, що до 2028 року лише сервери, які використовуються для штучного інтелекту, можуть споживати до 22% усієї електроенергії, що використовується домогосподарствами в Сполучених Штатах, що, безсумнівно, призведе до зростання цін на енергію та збільшення викидів парникових газів.
Крім енергетичної проблеми, існує й питання використання води. Високопродуктивні чіпи штучного інтелекту нагріваються настільки сильно, що традиційного повітряного охолодження стає недостатньо, тому нові центри даних переходять на рідинне охолодження. Хоча випаровування води є ефективнішим та енергоефективнішим методом порівняно з рециркуляцією, великі центри обробки даних, що використовують цю технологію, можуть споживати мільйони галонів води щодня, виснажуючи місцеві водні ресурси.
Зрозуміло, що таке навантаження на ресурси викликає занепокоєння, і все більше громад виступають проти будівництва нових центрів обробки даних. Однак, враховуючи, що відмовлятися від використання штучного інтелекту люди не збираються, деякі фахівці пропонують розглянути можливість розміщення центрів обробки даних у космосі.
Ідея полягає в тому, що в космосі можна було б отримувати цілодобову енергію від сонячних панелей, адже сонце там світить завжди, а відсутність атмосфери та низькі температури вирішували б проблеми з відведенням тепла. Передбачається, що обчислення відбуватимуться в орбітальних центрах, а результати передаватимуться на Землю, подібно до супутникового інтернету.
Чи є така ідея реальною, чи це настільки ж фантастично, як колонізація Марса? Заявлено, що центри обробки даних можна будувати в космосі, однак, для об’єктивної оцінки, необхідно розглянути фундаментальні фізичні принципи.
Закон збереження енергії та відведення тепла
Фундаментальною науковою концепцією є закон збереження енергії, який стверджує, що загальна кількість енергії в будь-якій замкнутій системі залишається сталою. Енергія не зникає і не створюється, а лише перетворюється з однієї форми на іншу, наприклад, сонячні панелі перетворюють світлову енергію на електричну.
Для зручності часто використовують поняття потужності, яка вимірюється в одиницях енергії за одиницю часу, тобто ватах. З точки зору потужності, закон збереження енергії означає, що сумарна потужність, що надходить у систему, дорівнює сумарній потужності, що виходить із системи, плюс потужність, що йде на зміну внутрішньої енергії системи.
Розглянемо для прикладу персональний комп’ютер з блоком живлення потужністю 300 ват. Це означає, що максимальна потужність, яка надходить до комп’ютера, становить 300 ват. Частина цієї енергії перетворюється на тепло, але коли комп’ютер досягає стабільної робочої температури, вся вхідна потужність повинна дорівнювати вихідній. Ця вихідна потужність, окрім виконання обчислень, відводиться у вигляді тепла, яке комп’ютер випромінює в навколишнє середовище, роблячи його, по суті, обігрівачем.
Тепловідведення: Кондукція та випромінювання
Теплова енергія завжди переміщується від теплішого об’єкта до холоднішого. Це може відбуватися двома основними способами: кондукцією та випромінюванням.
Кондукція – це прямий контакт між об’єктами, де тепло передається через зіткнення молекул. Наприклад, коли ви занурюєтеся в прохолодну воду, ваше тіло швидко віддає тепло воді, тому вода здається холодною.
Випромінювання – це процес передачі тепла через електромагнітні хвилі, коли об’єкти не мають прямого контакту. Це явище спостерігається, наприклад, в електричних печах, де нагрівальний елемент випромінює інфрачервоне світло, яке нагріває їжу.
Обчислення в космосі та проблеми тепловідведення
Якщо помістити комп’ютер у низьку навколоземну орбіту, де немає повітря, традиційні вентилятори, що охолоджують процесори, будуть неефективними. Єдиним способом відведення тепла залишиться випромінювання, яке є значно менш ефективним, ніж кондукція.
Багато хто помилково вважає, що космос є “холодним” місцем. Однак, температура – це властивість матерії, яка вимірює рух молекул. У вакуумі космосу молекул мало, тому він не має власної температури. Тепловідведення шляхом випромінювання в космосі відбувається повільно.
Швидкість тепловідведення шляхом випромінювання можна обчислити за допомогою закону Стефана-Больцмана. Формула враховує такі параметри, як ефективність випромінювання об’єкта, його поверхню та температуру. Чим вища температура об’єкта, тим швидше він випромінює тепло.
Припустимо, комп’ютер, що працює з певним навантаженням, досягає температури 200 градусів за Фаренгейтом. Навіть якщо комп’ютер має значну площу поверхні, його теплове випромінювання буде недостатнім для ефективного охолодження, якщо вхідна потужність буде значно перевищувати вихідну.
Масштабування та проблеми охолодження
Проблема полягає в тому, що при збільшенні об’єму пристрою, його площа поверхні зростає повільніше. Це означає, що чим більшим буде космічний центр обробки даних, тим складніше буде відводити від нього тепло. Величезні структури, подібні до земних центрів обробки даних, які матимуть значну потужність, просто перегріватимуться.
Хоча можна було б додати зовнішні радіаційні панелі, подібні до тих, що використовуються на Міжнародній космічній станції, їхня площа мала б бути надзвичайно великою, щоб впоратися з потужністю, яка виділяється сучасними центрами обробки даних. Крім того, ці панелі потребують складної системи трубопроводів для перекачування тепла від процесорів, що збільшує вартість та складність запуску.
Також слід враховувати, що сонячне випромінювання також нагріватиме космічний центр обробки даних, вимагаючи ще більших зусиль для охолодження, а інтенсивне випромінювання може пошкодити електроніку з часом. Ремонт у космосі також є значною проблемою.
Нові підходи та ризики
Виходячи з цих міркувань, стає зрозуміло, що ефективне охолодження в космосі вимагає використання багатьох невеликих супутників, а не декількох великих, що має краще співвідношення площі до об’єму. Саме такий підхід пропонують розробники, зокрема, Google зі своїм проєктом Suncatcher. Компанія SpaceX вже отримала дозвіл на запуск мільйона невеликих супутників для штучного інтелекту.
Однак, низька навколоземна орбіта вже перенасичена тисячами активних супутників та значною кількістю космічного сміття. Збільшення кількості супутників у сотні разів підвищує ризик зіткнень, що може призвести до катастрофічних наслідків, таких як каскад Кесслера.
Теоретично, створення обчислювальних систем у космосі з великої кількості малих супутників є можливим, але вартість їх запуску та будівництва буде астрономічною. Питання ж щодо доцільності такої ідеї залишається відкритим.
За матеріалами: Wired
