La inteligencia artificial se ha vuelto vital en las transacciones comerciales y financieras, la atención médica, el desarrollo tecnológico, la investigación y mucho más. Sin darse cuenta, los consumidores confían en la IA cuando transmiten un vídeo, realizan operaciones bancarias en línea o realizan una búsqueda en línea. Detrás de estas capacidades hay más de 10.000 centros de datos en todo el mundo, cada uno de los cuales es un enorme almacén que contiene miles de servidores informáticos y otra infraestructura para almacenar, gestionar y procesar datos. En la actualidad hay más de 5.000 centros de datos en Estados Unidos, y cada día se construyen otros nuevos, en Estados Unidos y en todo el mundo. A menudo, decenas de ellas se agrupan cerca de donde vive la gente, atraídas por políticas que ofrecen exenciones fiscales y otros incentivos, y por lo que parece ser abundante electricidad.
Y los centros de datos consumen enormes cantidades de electricidad. Los centros de datos estadounidenses consumieron más del 4 por ciento de la electricidad total del país en 2023, y para 2030 esa fracción podría aumentar al 9 por ciento, según el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica. Un único centro de datos grande puede consumir tanta electricidad como 50.000 hogares.
La repentina necesidad de tantos centros de datos presenta un desafío enorme para las industrias de tecnología y energía, los formuladores de políticas gubernamentales y los consumidores cotidianos. Los investigadores científicos y profesores de la Iniciativa Energética del MIT (MITEI) están explorando múltiples facetas de este problema, desde el abastecimiento de energía hasta la mejora de la red, pasando por herramientas analíticas que aumentan la eficiencia y más. Los centros de datos se han convertido rápidamente en el problema energético de nuestros días.
La demanda inesperada trae soluciones inesperadas
Varios Las empresas que utilizan centros de datos para proporcionar servicios de gestión de datos y computación en la nube están anunciando algunos pasos sorprendentes para suministrar toda esa electricidad. Las propuestas incluyen construir sus propias pequeñas plantas nucleares cerca de sus centros de datos e incluso reiniciar uno de los reactores nucleares intactos en Three Mile Island, que ha estado cerrado desde 2019 (un reactor diferente en esa planta se fundió parcialmente en 1979, lo que provocó la peor explosión del país). accidente de energía nuclear.) La necesidad de alimentar la IA ya está provocando retrasos en el cierre previsto de algunas centrales eléctricas alimentadas con carbón y aumentando los precios para los consumidores residenciales. Satisfacer las necesidades de los centros de datos no sólo está poniendo a prueba las redes eléctricas, sino también retrasando la transición a la energía limpia necesaria para detener el cambio climático.
Hay muchos aspectos del problema del centro de datos desde una perspectiva energética. A continuación se muestran algunos en los que se están centrando los investigadores del MIT y por qué son importantes.
Un aumento sin precedentes en la demanda de electricidad
«En el pasado, la informática no consumía una cantidad significativa de electricidad», dice William H. Green, director del MITEI y profesor Hoyt C. Hottel en el Departamento de Ingeniería Química del MIT. “La electricidad se utilizó para ejecutar procesos industriales y alimentar dispositivos domésticos como aires acondicionados y luces, y más recientemente para alimentar bombas de calor y cargar automóviles eléctricos. Pero ahora, de repente, la electricidad utilizada para la informática en general, y para los centros de datos en particular, se está convirtiendo en una nueva demanda gigantesca que nadie anticipó”.
¿A qué se debe la falta de previsión? Por lo general, la demanda de energía eléctrica aumenta aproximadamente medio punto porcentual al año y las empresas de servicios públicos incorporan nuevos generadores de energía y realizan otras inversiones según sea necesario para satisfacer la nueva demanda esperada. Pero los centros de datos que ahora están en línea están creando saltos sin precedentes en la demanda que los operadores no vieron venir. Además, la nueva demanda es constante. Es fundamental que un centro de datos brinde sus servicios todo el día, todos los días. No puede haber interrupciones en el procesamiento de grandes conjuntos de datos, el acceso a los datos almacenados y el funcionamiento del equipo de refrigeración necesario para mantener todas las computadoras empaquetadas funcionando sin sobrecalentarse.
Además, incluso si se genera suficiente electricidad, llevarla a donde se necesita puede ser un problema, explica Deepjyoti Deka, investigador científico del MITEI. «Una red es una operación que abarca toda la red, y el operador de la red puede tener suficiente generación en otro lugar o incluso en otro lugar del país, pero los cables pueden no tener suficiente capacidad para transportar la electricidad a donde se desea». Por lo tanto, es necesario ampliar la capacidad de transmisión y, según Deka, se trata de un proceso lento.
Luego está la «cola de interconexión». A veces, agregar un nuevo usuario (una “carga”) o un nuevo generador a una red existente puede causar inestabilidades u otros problemas para todos los demás que ya están en la red. En esa situación, es posible que se retrase la puesta en línea de un nuevo centro de datos. Si hay retrasos suficientes, las nuevas cargas o los generadores tendrán que hacer cola y esperar su turno. Ahora mismo, gran parte de la cola de interconexión ya está llena con nuevos proyectos solares y eólicos. El retraso es ahora de unos cinco años. Satisfacer la demanda de los centros de datos recién instalados y al mismo tiempo garantizar que la calidad del servicio en otros lugares no se vea obstaculizada es un problema que debe abordarse.
Encontrar fuentes de electricidad limpias
Para complicar aún más el desafío, muchas empresas (incluidas las llamadas “hiperescaladoras” como Google, Microsoft y Amazon) se han comprometido públicamente a tener emisiones netas de carbono cero en los próximos 10 años. Muchos han avanzado hacia el logro de sus objetivos de energía limpia mediante la firma de “acuerdos de compra de energía”. Firman un contrato para comprar electricidad, por ejemplo, de una instalación solar o eólica, y en ocasiones proporcionan financiación para la construcción de la instalación. Pero ese enfoque para acceder a energía limpia tiene sus límites cuando se enfrenta a la demanda extrema de electricidad de un centro de datos.
Mientras tanto, el creciente consumo de energía está retrasando el cierre de plantas de carbón en muchos estados. Simplemente no hay suficientes fuentes de energía renovable para atender tanto a los hiperescaladores como a los usuarios existentes, incluidos los consumidores individuales. Como resultado, las plantas convencionales alimentadas con combustibles fósiles como el carbón son más necesarias que nunca.
A medida que los hiperescaladores buscan fuentes de energía limpia para sus centros de datos, una opción podría ser construir sus propias instalaciones eólicas y solares. Pero tales instalaciones generarían electricidad sólo de forma intermitente. Dada la necesidad de energía ininterrumpida, el centro de datos tendría que mantener unidades de almacenamiento de energía, que son costosas. En su lugar, podrían depender de generadores de gas natural o diésel como energía de respaldo, pero esos dispositivos tendrían que combinarse con equipos para capturar las emisiones de carbono, además de un sitio cercano para eliminar permanentemente el carbono capturado.
Debido a tales complicaciones, varios de los hiperescaladores están recurriendo a la energía nuclear. Como señala Green, “la energía nuclear se adapta bien a la demanda de los centros de datos, porque las plantas nucleares pueden generar mucha energía de manera confiable y sin interrupciones”.
En una medida muy publicitada en septiembre, Microsoft firmó un acuerdo para comprar energía durante 20 años después de que Constellation Energy reabra uno de los reactores intactos en su planta nuclear ahora cerrada en Three Mile Island, el lugar del muy publicitado accidente nuclear en 1979. Si los reguladores lo aprueban, Constellation pondrá en funcionamiento ese reactor para 2028, y Microsoft comprará toda la energía que produzca. Amazon también llegó a un acuerdo para comprar energía producida por otra planta nuclear amenazada de cierre debido a problemas financieros. Y a principios de diciembre, Meta publicó una solicitud de propuestas para identificar desarrolladores de energía nuclear para ayudar a la empresa a satisfacer sus necesidades de IA y sus objetivos de sostenibilidad.
Otras noticias nucleares se centran en pequeños reactores nucleares modulares (SMR), plantas de energía modulares construidas en fábricas que podrían instalarse cerca de centros de datos, potencialmente sin los sobrecostos y retrasos que a menudo se experimentan en la construcción de grandes plantas. Google encargó recientemente una flota de SMR para generar la energía que necesitan sus centros de datos. El primero estará terminado en 2030 y el resto en 2035.
Algunos hiperescaladores están apostando por las nuevas tecnologías. Por ejemplo, Google está llevando a cabo proyectos geotérmicos de próxima generación y Microsoft ha firmado un contrato para comprar electricidad de una planta de energía de fusión de una startup a partir de 2028, aunque la tecnología de fusión aún no se ha demostrado.
Reducir la demanda de electricidad
Otros enfoques para proporcionar suficiente electricidad limpia se centran en hacer que el centro de datos y las operaciones que alberga sean más eficientes energéticamente para realizar las mismas tareas informáticas utilizando menos energía. El uso de chips informáticos más rápidos y la optimización de algoritmos que utilizan menos energía ya están ayudando a reducir la carga, y también el calor generado.
Otra idea que se está probando implica trasladar las tareas informáticas a momentos y lugares donde haya energía libre de carbono disponible en la red. Deka explica: “Si una tarea no tiene que completarse de inmediato, sino antes de una fecha límite determinada, ¿se puede retrasar o trasladar a un centro de datos en otro lugar de EE. UU. o en el extranjero, donde la electricidad es más abundante, más barata y/o más barata? ¿limpiador? Este enfoque se conoce como ‘computación consciente del carbono’”. Aún no estamos seguros de si cada tarea se puede posponer o retrasar fácilmente, dice Deka. “Si piensas en una tarea generativa basada en IA, ¿puede separarse fácilmente en pequeñas tareas que puedan llevarse a diferentes partes del país, resolverse utilizando energía limpia y luego volver a unirse? ¿Cuál es el costo de hacer este tipo de división de tareas?”
Por supuesto, este enfoque está limitado por el problema de la cola de interconexión. Es difícil acceder a energía limpia en otra región o estado. Pero se están realizando esfuerzos para flexibilizar el marco regulatorio para garantizar que las interconexiones críticas puedan desarrollarse más rápida y fácilmente.
¿Qué pasa con los vecinos?
Una preocupación importante que atraviesa todas las opciones para alimentar centros de datos es el impacto en los consumidores de energía residencial. Cuando un centro de datos llega a un vecindario, no sólo surgen preocupaciones estéticas sino también preocupaciones más prácticas. ¿Se volverá menos confiable el servicio eléctrico local? ¿Dónde se ubicarán las nuevas líneas de transmisión? ¿Y quién pagará por los nuevos generadores, las actualizaciones de los equipos existentes, etc.? Cuando se instalan nuevas instalaciones manufactureras o plantas industriales en un vecindario, las desventajas generalmente se compensan con la disponibilidad de nuevos empleos. No ocurre lo mismo con un centro de datos, que puede requerir sólo un par de docenas de empleados.
Existen reglas estándar sobre cómo se comparten y asignan los costos de mantenimiento y actualización. Pero la situación cambia totalmente con la presencia de un nuevo centro de datos. Como resultado, las empresas de servicios públicos ahora necesitan repensar sus estructuras tarifarias tradicionales para no imponer una carga indebida a los residentes para pagar los cambios de infraestructura necesarios para albergar los centros de datos.
Las contribuciones del MIT
En el MIT, los investigadores están pensando y explorando una variedad de opciones para abordar el problema de proporcionar energía limpia a los centros de datos. Por ejemplo, están investigando diseños arquitectónicos que utilizarán ventilación natural para facilitar la refrigeración, diseños de equipos que permitirán un mejor flujo de aire y distribución de energía, y sistemas de aire acondicionado de alta eficiencia energética basados en materiales novedosos. Están creando nuevas herramientas analíticas para evaluar el impacto de las implementaciones de centros de datos en el sistema eléctrico de EE. UU. y para encontrar las formas más eficientes de proporcionar energía limpia a las instalaciones. Otros trabajos analizan cómo adaptar la producción de pequeños reactores nucleares a las necesidades de un centro de datos y cómo acelerar la construcción de dichos reactores.
Los equipos del MIT también se centran en determinar las mejores fuentes de energía de respaldo y almacenamiento de larga duración, y en desarrollar sistemas de apoyo a la toma de decisiones para ubicar los nuevos centros de datos propuestos, teniendo en cuenta la disponibilidad de energía eléctrica y agua y también consideraciones regulatorias, e incluso el potencial. para utilizar lo que puede ser una importante cantidad de calor residual, por ejemplo, para calentar edificios cercanos. Los proyectos de desarrollo tecnológico incluyen el diseño de chips informáticos más rápidos y eficientes y de algoritmos informáticos con mayor eficiencia energética.
Además de proporcionar liderazgo y financiación para muchos proyectos de investigación, el MITEI actúa como coordinador, reuniendo a empresas y partes interesadas para abordar esta cuestión. En la Conferencia Anual de Investigación 2024 del MITEI, un panel de representantes de dos hiperescaladores y dos empresas que diseñan y construyen centros de datos discutieron juntos sus desafíos, posibles soluciones y dónde la investigación del MIT podría ser más beneficiosa.
A medida que se continúan construyendo centros de datos y la informática continúa creando un aumento sin precedentes en la demanda de electricidad, dice Green, sci Los científicos e ingenieros están en una carrera para proporcionar las ideas, innovaciones y tecnologías que puedan satisfacer esta necesidad y, al mismo tiempo, continuar avanzando en la transición hacia un sistema energético descarbonizado.
