Могут ли атомные электростанции удовлетворить потребность центров обработки данных в энергии?

Энергия для ЦОД: могут ли помочь атомные электростанции?

Последние достижения в разработке небольших, модульных и масштабируемых ядерных реакторов нового поколения могут стать панацеей для удовлетворения потребностей центров обработки данных в энергии.

История первого в мире центра обработки данных (ЦОД) – с точки зрения компьютерного зала – восходит к 1945 году, когда в Пенсильванском университете был установлен электронный числовой интегратор и компьютер. Это был первый электронный цифровой компьютер общего назначения, работающий на основе программы. При ширине 150 футов (45,72 метра) этот гигант питался от вакуумных трубок и требовал 150 кВт мощности для обработки всего 0,05 MIPS. Охлаждение, вентиляция, обдув и время простоя уже тогда были сложной задачей для разработчиков. Созданный военными, он также служил для проверки возможности изготовления термоядерного оружия.

Затем, с появлением в 1960-х годах обычных компьютеров на базе транзисторов, концепция центра обработки данных эволюционировала в соответствии с коммерческим использованием вычислительных машин, которые были установлены в специализированных офисных зданиях.

Что такое современный центр обработки данных?

Центр обработки данных – это объект, используемый для размещения компьютерных систем и связанной с ними сети вычислительных, телекоммуникационных компонентов и компонентов хранения данных для предоставления совместно используемых программных приложений и данных. Управляя ключевой инфраструктурой, на основе которой выполняются различные ИТ-операции для компаний и частных пользователей, они обеспечивают бесперебойное функционирование цифрового мира. Будь то облако, аппаратный хостинг или специализированный сервис, постранство, занимаемое ЦОД имеет первостепенное значение во всем мире. В одном месте несколько компаний могут арендовать помещения, электроэнергию, серверы и т.д., сохраняя при этом право собственности и контроля. Гипермаштабируемые ЦОД – это очень крупные объекты, предназначенные для поддержки больших объемов данных и облачных операций, выполняемых крупными технологическими компаниями, такими как Amazon Web Services, Google Cloud Platform, Microsoft Azure, IBM, Alibaba Cloud и Oracle.

Основные блоки внутри ЦОД

Часть Центра обработки данных

ЦОД состоит из различных агрегатов, выполняющих определенные роли. Серверы, составляющие основу такой системы, берут на себя большую часть вычислительной нагрузки и обработки данных. Они запускают приложения и сервисы, такие как электронная почта, игровые платформы и программное обеспечение компании, управляют сетевым трафиком и размещают множество виртуальных машин с целью оптимизации ресурсов. Функционально серверы могут быть сгруппированы в кластеры, образуя единую систему, обеспечивающую запас мощности и выравнивание нагрузки.

Системы охлаждения поддерживают оптимальную температуру для серверов и другого оборудования, потребляющего много энергии. К накопителям относятся жесткие диски и массивы твердотельной памяти, которые требуют значительного энергопотребления для работы и обеспечения целостности данных. Сетевые устройства, по сути, состоят из маршрутизаторов и коммутаторов для управления трафиком данных внутри одного контроллера домена и/или между различными контроллерами домена, а также являются энергоемкими. В то время как маршрутизатор направляет данные между различными сетями, например, назначая IP-адрес для наилучшего пути передачи, коммутатор соединяет несколько устройств в одной сети.

Серверы, коммутаторы, маршрутизаторы и другое ИТ-оборудование расположены в открытых металлических рамах – стойках, состоящих из полок или отсеков, что обеспечивает оптимизацию пространства и воздушного потока, легкий доступ и удобство обслуживания, а также сокращает количество кабелей. Наконец, шкафы представляют собой закрытые конструкции, обеспечивающие безопасность и экологический контроль, а также защиту от несанкционированного доступа, пыли и физических повреждений.

Энергозатратные приложения

По мере того как использование Интернета и внедрение технологий искусственного интеллекта продолжают развиваться быстрыми темпами, что способствует повышению эффективности ведения бизнеса, растут и потребности ЦОД в энергии, что создает реальный риск увеличения выбросов углекислого газа. Эта перспектива побуждает компании, работающие с Цетрами обработки данных, выбирать энергию, которая поступает из возобновляемых источников, и поставщиков оборудования, которые  соблюдают политику нулевого уровня выбросов. По данным ABI Research, при совокупном годовом росте на 24% потребление энергии в центрах обработки данных достигнет пика в 2477 ТВтч в 2030 году. Этот уровень соответствует 4-кратному увеличению по сравнению с базовым уровнем 2023 года, который составлял около 610 ТВтч. В ЦОД, управляемом искусственным интеллектом, 80% энергии в равной степени расходуется на питание графических процессоров и систем охлаждения, в то время как остальная часть потребляется ИТ-оборудованием. Среднегабаритные установки ЦОД могут потреблять от 50 до 70 МВт, а более крупные – от 100 до 250 МВт или даже выше. Среднее энергопотребление существующих стоек составляет от 7 до 10 кВт, но потребление некоторых стоек высокой плотности может достигать 30 кВт.

Алгоритмы искусственного интеллекта требуют огромных вычислительных мощностей для машинного обучения, обработки естественного языка и автоматического анализа видеоинформации. Предприятия используют генеративный искусственный интеллект в виде текста, видео, изображений и т.д. для повышения производительности, обслуживания и оптимизации операций. Сегодня для приложений искусственного интеллекта используется примерно 15% всей электроэнергии ЦОД. Для справки, для обработки запроса ChatGPT требуется почти в 10 раз больше электроэнергии, чем для поиска в Google. Исследование, проведенное Массачусетским университетом, показало, что обучение одной большой модели искусственного интеллекта приводит к выбросам CO2, эквивалентным выбросам 5 автомобилей за весь срок их службы.

Существуют также другие приложения, требующие огромного количества энергии: высокопроизводительные вычисления, Интернет вещей, блокчейн и криптовалюты, а также управление сетями 5G.

По состоянию на 1 квартал 2024 года по всему миру функционировало почти 11 800 контроллеров домена, из которых 5 381 были размещены в США. Американский финансовый конгломерат Morgan Stanley прогнозирует, что при сохранении текущей тенденции к концу десятилетия Центры обработки данных произведут 2,5 млрд. метрических тонн эквивалента CO2 (CO2e), что откроет бизнесу возможности для инвестиций в меры по сокращению выбросов углекислого газа.

Возобновляемые источники энергии в развивающихся странах

Существуют различные альтернативные экологически чистые источники энергии для удовлетворения потребностей ЦОД и снижения их воздействия на окружающую среду: солнечная энергия, ветер, гидроэлектростанции, геотермальная энергия, биомасса и топливные элементы. Все эти решения выглядят привлекательно, но имеют свои недостатки, среди которых выделяют удаленное расположение ресурсов, перебои с поставками и затраты. Последние достижения в разработке нового поколения небольших, модульных и масштабируемых ядерных реакторов могут стать панацеей для удовлетворения потребностей Центров обработки данных в энергии. Освоение ядерной энергетики обусловлено не только критериями концепции социальной и экологической ответственности, но и необходимостью обеспечения стабильного и бесперебойного электроснабжения для поддержки искусственного интеллекта и облачной инфраструктуры. Перебои в подаче электроэнергии очень опасны из-за задержек в завершении процесса, потери данных и снижения эффективности.

Атомные электростанции

Такие компании, как Amazon, Google и Microsoft, рассматривают возможность создания атомных электростанций (АЭС) последнего поколения, основанных на малых модульных реакторах и ядерных микрореакторах, для обеспечения безуглеродной электроэнергией.

Самые современные реакторы, как и на обычных АЭС, работают за счет ядерного деления. В ядре тяжелые атомные ядра – в основном уран-235, а также плутоний-239 или торий-232, используемые в специальных конструкциях, – при столкновении с нейтроном распадаются на более легкие ядра с огромным выделением энергии. Один атом U-235 содержит 92 протона и 143 нейтрона, но такое расположение нестабильно и приводит к распаду после того, как его ядро поглощает нейтрон нужной энергии. Когда ядро распадается, оно испускает еще 2 или 3 нейтрона, которые также могут расщеплять другие ядра на части. Чтобы контролировать цепную реакцию, необходимо, чтобы определенное количество нейтронов было поглощено соответствующими регуляторами. Замедлитель служит для торможения нейтронов, поскольку эти частицы должны обладать правильным распределением скоростей (или энергии) для запуска процесса деления.

В процессе деления выделяется огромное количество кинетической энергии осколков и мощных гамма-лучей, которые преобразуются в тепло с помощью теплоносителя. Это тепло затем используется в турбинах для производства электроэнергии.

Современные маломасштабные АЭС

Энергетическая ценность ядерной энергетики очень привлекательна, поскольку небольшое количество топлива может вырабатывать большое количество электроэнергии. Это идеальное решение для систем ЦОД с искусственным интеллектом, которым требуются гигантские объемы энергии на небольших площадях.

Энергоблоки малых модульных реакторов имеют электрическую мощность до 300 МВтэ на единицу, что составляет треть генерирующей мощности традиционных АЭС. Компактные размеры и модульность (их можно предварительно собирать на заводах и транспортировать к месту установки) делают их чрезвычайно универсальными. Малые модульные реакторы требуют менее частой дозаправки (в среднем каждые 6 лет, даже на месте), но некоторые из них специально разработаны для эксплуатации в течение 30 лет без дозаправки.

По сравнению с существующими реакторами, малые модульные основаны на пассивной безопасности, поскольку они работают при меньшей мощности и давлении. Это означает, что для их остановки используются физические явления без вмешательства человека. Это также является преимуществом, поскольку возможность опасного выброса радиоактивности значительно снижена.

Ядерные микрореакторы являются частью малых модульных реакторов, поскольку они обычно генерируют мощность 10 МВт при меньших габаритах, что делает их пригодными для использования в районах, недоступных для получения чистой, надежной и дешевой энергии. Кроме того, их можно перевозить на грузовых автомобилях и использовать в качестве резервного источника питания. Другие преимущества включают плавную интеграцию с возобновляемыми источниками энергии в микросетях, 10-летний срок службы без дозаправки и более легкую замену на новые.

Пример ядерного микрореактора

Ядерный микрореактор eVinci, разработанный компанией Westinghouse, отличается компактными размерами, диаметром менее 10 футов (3 метра), отсутствием движущихся частей и возможностью замены для дозаправки. Производя 5 МВтэ энергии при тепловой мощности 15 МВтт, он может работать не менее 8 лет. Вместо принудительной циркуляции воды, воздуха или расплавленных солей реактор оснащен монолитом из цельной стали для размещения активной зоны и поглощения тепла. Затем щелочные тепловые трубки отводят тепло от активной зоны в теплообменник посредством фазового перехода. Попадая в теплообменник, тепло отводится за счет естественной конвекции и излучения, образуя пар, который затем приводит в действие турбину для выработки электроэнергии.

Несколько агрегатов могут быть установлены одновременно или добавлены по мере роста центра обработки данных, что удовлетворяет дополнительные потребности в энергии последнего.

Ядерный микрореактор eVinci от Westinghouse