ЦОДы будущего: между искусственным интеллектом и «зеленой повесткой»

Планирование бизнеса основывается на видении будущего: во что инвестировать средства, какие риски поджидают впереди. Чем дальше смотрим в будущее, тем сложнее представить картину, очередной «черный лебедь» – и прогнозы аналитических агентств летят в корзину. Тем не менее общие тенденции и возможные сценарии для стратегического планирования нащупать можно – и на их основе дать прогноз на ближайшие 10–15 лет.

Население Земли продолжит увеличиваться: согласно отчету ООН World Population Prospects 2022, в 2035 г. оно достигнет 9,7 млрд (в 2023 г. – 7,9 млрд). Аудитория интернета также будет ежегодно расти, в том числе за счет экономически нестабильных регионов и бедных слоев населения. По оценкам «Ростелекома», в 2025 г. число пользователей интернета в мире составит 6,2 млрд человек (77% населения), в России – 120 млн человек (82% населения). За следующие 10 лет эти цифры еще увеличатся.

Люди все больше времени будут проводить в виртуальном пространстве, все активнее по­треб­лять облачные услуги, в том числе те, которые используют технологии дополненной и виртуальной реальности (AR/VR). В этом ключе высказывается и заместитель директора Центра стратегических инноваций «Ростелекома» Павел Красовский: «На горизонте 10 лет будут развиваться искусственный интеллект, квантовые технологии, 5G/6G, виртуальная и дополненная реальность».

Дозреют пока буксующие технологии так называемых метавселенных. В частности, вице-президент Gartner Марти Резник уверен, что к 2026 г. в них будут содержаться продукты как минимум 30% организаций мира. Метавселенные изменят способ взаимодействия пользователей с виртуальной средой. Они станут местом для социальных мероприятий, рабочих встреч, игровых событий и концертов. Поддержка таких метавселенных потребует значительных вычислительных мощностей. Понадобится построить новые дата-центры, расположенные как можно ближе к потребителям, – виртуальная жизнь не предполагает задержек.

Тезис о том, что объем генерируемых человечеством данных растет по экспоненте, причем основной вклад вносят не люди, а устройства интернета вещей (IoT), давно стал общим местом. Так, IDC прогнозирует, что к 2025 г. этот объем достигнет 160 зеттабайт (рис. 1), а если темпы роста сохранятся, то к 2035 г. превысит 300 зеттабайт, т.е. по сравнению с 2023-м увеличится втрое. 

«Мы стремительно приближаемся к новой эре больших данных. От беспилотных автомобилей до роботов-гуманоидов и от умных личных помощников до домашних устройств. Мир вокруг нас претерпевает фундаментальные изменения, трансформируя то, как мы живем, работаем и развлекаемся», – отмечают аналитики IDC в исследовании Data Age 2025. По их мнению, к 2025 г. почти 20% всех данных в глобальной информационной сфере будут играть критически важную роль в повседневной жизни, а около 10% этих данных будут сверхкритичными. Основным местом хранения данных станут облака (рис. 2).

 

Чем больше данных, тем лучших результатов можно добиться при обучении нейронных сетей. Искусственный интеллект уже стал одним из трендов развития современных ИТ. С появлением генеративных моделей ИИ перешел с первой фазы (классификатор) на вторую фазу развития – созидатель. А в ближайшие пять лет ИИ, по мнению известного футуролога и эксперта Всемирного экономического форума Юваля Харари, войдет в третью фазу развития – станет ИИ-деятелем, который сможет вести реальную деятельность в реальном мире. Например, получив от человека посевное финансирование, может придумать и разработать продукт или услугу и затем продать стартап, заработав на порядок больше вложенного.

Дальнейшее масштабирование моделей еще на пару порядков (как по числу параметров и объему данных, так и по стоимости обучения), как считает один из ведущих мировых экспертов по ИИ Дарио Амадеи, приведет за два-три года к достижению моделями интеллектуального уровня хорошо образованного человека, к созданию общего искусственного интеллекта Artificial General Intelligence (AGI, Strong AI). По оценке президента OpenAI Грега Брокмана, AGI появится в 2029 г. ИИ достигнет уровня человеческого интеллекта, а затем намного превзойдет его, и уже в 2030 г. человечество и искусственный интеллект сольются. 

В 2045 г., по прогнозам американского футуролога, специалиста по компьютерным наукам и технического директора Google Рэймонда Курцвейла, человечество достигнет сингулярности, когда человеческий интеллект удастся объединить с интеллектом искусственным и таким образом появятся подобия киборгов. Этот синтез приведет к увеличению мощности работы мозга в 10 тыс. раз и позволит обмениваться информацией с тысячами компьютеров по всему миру. То есть новые поколения людей станут не только жить дольше, но и смогут улучшить свои интеллектуальные способности. И этот процесс начнется уже через семь лет. Киборги будут иметь прямой доступ в облако (например, с помощью разрабатываемых сейчас нейронанороботов), так что без дата-центров и в этом варианте не обойтись.

В самих ЦОДах искусственный интеллект тоже найдет применение: например, для оптимизации бизнес-процессов, анализа состояния инженерного оборудования, планирования профилактических работ и ремонта. «Бесчеловечный» ЦОД, в котором в темноте работают умные роботы, вполне может стать стандартом уже в ближайшие 15 лет. 

Успех систем ИИ во многом обусловлен стремительно растущей производительностью процессоров. Эта производительность, как когда-то подсчитали в компании Intel, благодаря увеличению количества транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, в сочетании с повышением тактовой частоты процессоров должна удваиваться каждые 18 месяцев. Из-за физических ограничений трудно ожидать, что эта закономерность будет работать и в отдаленной перспективе, но в любом случае производительность вырастет на порядок. Председатель правления Huawei Ху Хоукун прогнозирует, что уже к 2030 г. общая вычислительная мощность вырастет более чем в 10 раз, а мощность ИИ, т.е. его способность обрабатывать большие объемы данных и выполнять сложные вычисления, вырастет в 500 раз. 

Обучение моделей ИИ наиболее эффективно на суперкомпьютерах с GPU, и по данным Dell’Oro Group, высокий спрос на серверы для приложений искусственного интеллекта в 2023 г. способствовал тому, что доходы от графических процессоров и ускорителей выросли на 224%. Впрочем, для последовательно выполняемых задач («супервычислений») будут использоваться и CPU. Скорость вычислений суперкомпьютеров растет в основном за счет увеличения числа как CPU, так и GPU, повышения скорости вычислений процессоров и скорости передачи данных между процессорами и устройствами хранения (сверхоперативной и оперативной памятью, флеш-памятью, дисковыми массивами). То есть вычислительные узлы (процессоры, группы процессоров) должны быть мощными, и их должно быть много, что повышает энергоемкость. Кроме того, они должны располагаться компактно, чтобы уменьшать задержки при передаче данных. Все это приводит к необходимости использования высоконагруженных стоек. 

Этой точки зрения придерживается и технический директор IXcellerate Сергей Вышемирский: «Массовое использование высокопроизводительных вычислений и систем с ИИ приведет к повышению энергонагрузки на стойку. Стойка суперкомпьютера в среднем потребляет 40 кВт. Стандартом в дата-центрах станут стойки 30 кВт, в предельных случаях – до 55 кВт».

Ему вторит Константин Королев, директор по развитию бизнеса в России и странах СНГ Uptime Institute: «Искусственный интеллект, на мой взгляд, самая перспективная и мощная технология в ближайшей перспективе. Поскольку технология требовательна к ресурсам, она неизбежно повлечет за собой повышение мощности ЦОДов в расчете на стойку. И хотя сегодня средняя плотность мощности на стойку по-прежнему составляет 5 кВт, для искусственного интеллекта понадобятся стойки с мощностью 20 кВт и выше. Уже сейчас на рынке встречаются предложения 35–50 кВт на стойку. Рекорд принадлежит Digital Realty, анонсировавшей в августе 2023 г. размещение в высокоплотных зонах ЦОДа с поддержкой до 70 кВт на стойку. Полагаю, что число таких предложений будет расти и доля высокоплотных зон в коммерческих ЦОДах также будет увеличиваться».

Справедливости ради надо сказать, что упомянутые выше сети Wi-Fi 5G и 6G, виртуальная реальность, видео сверхвысокого качества и интернет вещей тоже попали в число «стимуляторов» роста энергопотребления наряду с искусственным интеллектом.

Скачок в производительности могут дать квантовые и оптические системы. Прогресс в развитии квантовых систем значительный, но пока не до конца понятно, смогут ли ученые преодолеть все технические проблемы при построении компьютеров на их основе. В любом случае решения будут использоваться для ограниченного круга задач и не заменят классические компьютеры в дата-центрах. Хотя, согласно исследованию Atos и IQM, на локальные квантовые вычисления к 2026 г. собираются перейти 71% дата-центров. Можно предположить, что в ЦОДах будут выделяться отдельные зоны со специфическими требованиями к подводу энергии и охлаждению.

Подавляющее большинство клиентов будет использовать суперкомпьютеры и квантовые компьютеры не по модели on-premise, а по сервисной модели в гибридных и публичных облаках, что открывает новые рынки для бизнеса дата-центров.

Повышение благосостояния стран третьего мира, цифровизация всех сфер деятельности человека, рост вычислительных мощностей, борьба за снижение использования энергии из невозобновляемых источников и достижение нулевого углеродного следа приведут к увеличению потребления электроэнергии (рис. 3). Вместе с тем производство электроэнергии, согласно прогнозам Statista, в 2023-2035 гг. будет расти в среднем на 2% в год и к 2035 г. вырастет на 24%.

Рынок услуг дата-центров будет расти значительно быстрее, чем производство электроэнергии, обостряя конкуренцию ЦОДов с другими ее потребителями – промышленностью, транспортом, ЖКХ. Так, объем мирового рынка ЦОДов в 2021 г. агентство Arizton Advisory and Intelligence оценивало в $215,8 млрд и прогнозировало, что, увеличиваясь в среднем на 4,95% в год, к 2027 г. он достигнет $288,3 млрд. Компания JLL считает, что объем мирового рынка ЦОДов, оказывающих услуги colocation, в 2021–2026 гг. будет ежегодно расти на 11,3%, а рынок услуг гиперскейлеров – еще быстрее, примерно на 20%.

Однако рост энергопотребления дата-центров замедляется. В частности, группа американских исследователей из Северо-Западного университета (шт. Иллинойс) и Национальной лаборатории им. Э. Лоуренса в Беркли (шт. Калифорния) в 2020 г. сообщала, что хотя к 2018 г. рабочие нагрузки и количество инстансов (виртуальных машин и контейнеров) по сравнению с 2010 г. увеличились более чем в шесть раз, IP-трафик – более чем в 10 раз, а емкость хранилищ ЦОДов – в 25 раз, потребление электроэнергии в расчете на один сервер за этот период времени снизилось в четыре раза. Сказались технологические улучшения и сокращение времени холостой работы. За счет роста плотности и эффективности накопителей показатель «количество ватт на 1 терабайт установленной памяти» уменьшился примерно в девять раз. Рост числа серверов сильно замедлился – за счет распространения виртуализации пятикратно выросло среднее число инстансов на одном сервере. 

Показатель энергоэффективности ЦОДов (PUE) также постепенно улучшается. По данным Uptime Institute, средний по миру показатель до 2018 г. устойчиво снижался и достиг 1,58, в 2019 г. он подрос до 1,67, а в 2022-м снизился до отметки 1,55. Над повышением энергоэффективности ЦОДы будут работать и дальше, но сейчас PUE практически вышел на плато и возможности его снижения ограничены. 

Тем не менее энергопотребление дата-центров будет увеличиваться, пусть не прямо пропорционально росту объема вычислений. Согласно прогнозам Международного энергетического агентства, спрос на электроэнергию со стороны ЦОДов, систем искусственного интеллекта и криптовалют в масштабах всего мира может вырасти более чем вдвое в течение следующих трех лет. В частности, в Ирландии, где отрасль ЦОДов развивается быстро, по прогнозу МЭА, к 2026 г. этот сектор будет потреблять 32% всей электроэнергии страны по сравнению с 17% в 2022 г. А Андерс Андре, главный архитектор Шведского научно-исследовательского центра Huawei Tech­nologies, считает, что в 2030 г. на дата-центры будет приходиться в лучшем случае 8%, в худшем – 21% глобального энергопотребления. 

Подобные прогнозы экспертов и аналитиков вызывают обеспокоенность регулирующих органов и правительств. Неудивительно, что уже сейчас предпринимаются попытки этот рост сдержать. В некоторых регионах накладываются различные ограничения на строительство новых ЦОДов – в Дублине (Ирландия) в январе 2022 г. был введен запрет на подключение ЦОДов к электросети EirGrid, в Амстердаме и Харлеммермере (Нидерланды) требуется, чтобы PUE дата-центра не превышал 1,2.

Недавно Европейская комиссия приняла новую схему отчетности для европейских ЦОДов, которая должна помочь отслеживать их усилия по обеспечению устойчивого развития. Обновленная программа отчетности касается всех дата-центров мощностью более 500 кВт. Их операторы должны будут сообщать о таких параметрах, как площадь помещения, установленная мощность, объемы данных, энергопотребление, PUE, температурный режим, утилизация отходящего тепла, использование воды и возобновляемых источников энергии.

Дефицит электроэнергии и ужесточающееся регулирование в сфере экологии заставят дата-центры обратиться к «зеленой» энергетике, использовать энергосберегающие технологии и электроэнергию из возобновляемых источников или источников с низким уровнем выброса парниковых газов. Перспективными выглядят эксперименты Microsoft c малыми ядерными реакторами модульного типа (SMR) для дата-центров.

Важный аспект «зеленой повестки» – повторное использование тепла, выделяемого ЦОДами в больших количествах. Сегодня, по данным Uptime Institute, в мире насчитывается свыше 70 таких проектов, в основном в секторе ЖКХ и в агросекторе. На этом пути аналитики отмечают немалые сложности, связанные, в частности, с затратами на установку тепловых насосов и интеграцию инженерных сетей ЦОДов с сетями теплоснабжения. Но надо полагать, что со временем эти сложности будут так или иначе преодолены, поскольку бесполезно нагревать атмосферу становится слишком расточительно (подробнее см. М. Смолакс. Повторное использование тепла ЦОДов).

 

И конечно, ЦОДы будут повышать эффективность, внедряя инновации. Среди наиболее перспективных, согласно опросу Uptime Institute (рис. 4), – программно определяемое энергопотребление, включающее в себя виртуализацию и абстрагирование энергетической инфраструктуры; использование искусственного интеллекта для более точного регулирования параметров функционирования инженерной инфраструктуры; обеспечение отказоустойчивости за счет резервирования на уровне ЦОДов. Прямое жидкостное охлаждение будет применяться все шире. ЦОДы будут делиться накопленной в батареях электроэнергией, быстро отвечая на инциденты в распределительной сети поставщика, выступая не только в качестве клиента, но и партнера, будут отдавать тепло поставщикам коммунальных услуг, использовать топливные ячейки для первичной генерации энергии (привет модульным ядерным реакторам Microsoft) и даже метавселенные.

Во всех процессах трансформации ЦОДов Россия не остается просто наблюдателем. Ведущие мировые страны приняли программы развития искусственного интеллекта, в 2019 г. такая программа появилась и в нашей стране. Согласно Национальной стратегии развития ИИ до 2030 г. (с обновлениями, внесенными в феврале 2024 г.), уже через шесть лет 95% российских компаний будут применять ИИ, 85% работников будут знать, как пользоваться технологией, около 5 тыс. организаций получат льготный доступ к вычислительным мощностям для его разработки. Ежегодный объем оказанных услуг по разработке и реализации решений в области ИИ к 2030 г. должен вырасти до 60 млрд руб. (в 2022 г. он составил 12 млрд руб.), а само развитие ИИ увеличит ВВП России на 11,2 трлн руб. При этом именно нехватка вычислительных мощностей, как полагают в Минэкономики, является перво­очередной проблемой развития ИИ. 

Но вычислительные мощности постоянно растут. В частности, по прогнозу iKS-Consulting, число стоек в коммерческих ЦОДах в 2024 г. увеличится на 19% и достигнет 84 тыс., а к 2026 г. – 105 тыс. в базовом сценарии и 117 тыс. в оптимистичном. Энерговооруженность стоек тоже повышается: вместо 5 кВт стандартом становится потребление на уровне 8–12 кВт.

Растет и внимание к экологическим инициативам. Глава Правительства РФ М. Мишустин по итогам стратегической сессии о реализации инициатив по направлению «Технологический рывок», состоявшейся в феврале 2024 г., поручил Минприроды и Минэнерго к 31 мая доработать и утвердить методические указания по количественному определению объема косвенных энергетических выбросов парниковых газов, а Минфину, Минэнерго и Минэконом­раз­вития к этой же дате подготовить и представить предложения по упрощению налогового регулирования в сфере обращения атрибутов генерации и сертификатов происхождения электроэнергии. 

В российских условиях «зеленая» энергия – это прежде всего атомная энергия и природный газ. Поэтому можно ожидать, что продолжится тенденция размещения крупных ЦОДов рядом с атомными станциями, начало которой положил ЦОД в Удомле, построенный рядом с Калининской АЭС.

Проекты использования генерируемого ЦОДами тепла тоже уже реализуются. Например, в ЦОДе MOS2, принадлежащем IXcellerate, тепло, которое выделяется ИТ-оборудованием, применяется для отопления административных и производственных помещений. По оценкам генерального директора IXcellerate Андрея Аксенова, экономия за отопительный сезон составляет около 1,5 млн руб.

А петербургский оператор ИТ-решений «Обит» объявил о планах создать в технологической долине ИТМО Хайпарк, которая строится на территории города-спутника Южный, энергоэффективный дата-центр. Ключевая особенность проекта – направление избыточного тепловыделения от оборудования ЦОДа на поддержание температурного режима, необходимого для круглогодичного выращивания экологически чистой зеленой продукции.

***

Прогнозировать на длительный срок сложно, но некоторые моменты достаточно очевидны. Дата-центров – крупных и малых – будет становиться все больше. Не обойдется даже без протестов против их безудержного роста. Уже сейчас, например, в США жители Вирджинии, где расположено большое количество ЦОДов, жалуются на непрекращающийся гул серверных ферм, а защитники окружающей среды – на то, что ЦОДы вторгаются в исторические местности, где проходили сражения Гражданской войны. Тем не менее отрасль ЦОДов, постепенно становясь частью индустриального симбиоза, продолжит развиваться, прокладывая курс между Сциллой растущей потребности в высокопроизводительных вычислениях и Харибдой множащихся экологических инициатив.

Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!