Trí tuệ nhân tạo (AI) đã trở nên thiết yếu trong kinh doanh và giao dịch tài chính, chăm sóc y tế, phát triển công nghệ, nghiên cứu và nhiều lĩnh vực khác. Người tiêu dùng thậm chí không nhận ra điều đó khi xem video trực tuyến, thực hiện giao dịch ngân hàng trực tuyến hoặc tìm kiếm trực tuyến. Đằng sau những khả năng này là hơn 10.000 trung tâm dữ liệu trên toàn cầu, mỗi trung tâm là một kho chứa khổng lồ gồm hàng ngàn máy chủ và cơ sở hạ tầng khác để lưu trữ, quản lý và xử lý dữ liệu. Hiện nay, có hơn 5.000 trung tâm dữ liệu tại Hoa Kỳ, và các trung tâm mới vẫn đang được xây dựng mỗi ngày – ở Mỹ và trên toàn thế giới. Thường thì hàng chục trung tâm được tập trung gần nơi người dân sinh sống, thu hút bởi các chính sách ưu đãi thuế và các khuyến khích khác, cũng như nguồn điện dồi dào.

Và các trung tâm dữ liệu tiêu thụ một lượng điện năng khổng lồ.  Theo Viện Nghiên cứu Điện lực (EPR), các trung tâm dữ liệu của Mỹ đã tiêu thụ hơn 4% tổng lượng điện năng của cả nước vào năm 2023, và đến năm 2030 con số này có thể tăng lên 9%. Một trung tâm dữ liệu lớn duy nhất có thể tiêu thụ lượng điện năng tương đương với 50.000 hộ gia đình.

Nhu cầu đột ngột về số lượng lớn trung tâm dữ liệu đặt ra thách thức to lớn đối với ngành công nghệ và năng lượng, các nhà hoạch định chính sách của chính phủ và người tiêu dùng hàng ngày. Các nhà khoa học nghiên cứu và giảng viên tại Sáng kiến ​​Năng lượng MIT (MITEI) đang khám phá nhiều khía cạnh của vấn đề này - từ việc tìm nguồn cung cấp điện đến cải thiện lưới điện, các công cụ phân tích giúp tăng hiệu quả, và hơn thế nữa. Trung tâm dữ liệu nhanh chóng trở thành vấn đề năng lượng cấp bách nhất hiện nay.

Nhu cầu bất ngờ dẫn đến những giải pháp bất ngờ

Một số công ty sử dụng trung tâm dữ liệu để cung cấp dịch vụ điện toán đám mây và quản lý dữ liệu đang công bố những bước đi đáng ngạc nhiên để cung cấp lượng điện năng khổng lồ đó. Các đề xuất bao gồm xây dựng các nhà máy điện hạt nhân nhỏ gần trung tâm dữ liệu của họ và thậm chí khởi động lại một trong những lò phản ứng hạt nhân không bị hư hại tại Three Mile Island, nơi đã ngừng hoạt động từ năm 2019. (Một lò phản ứng khác tại nhà máy đó đã bị tan chảy một phần vào năm 1979, gây ra tai nạn điện hạt nhân tồi tệ nhất trong lịch sử quốc gia.) Nhu cầu cung cấp năng lượng cho trí tuệ nhân tạo (AI) hiện đang gây ra sự chậm trễ trong việc đóng cửa theo kế hoạch của một số nhà máy điện than và làm tăng giá điện cho người tiêu dùng dân cư. Việc đáp ứng nhu cầu của các trung tâm dữ liệu không chỉ gây áp lực lên lưới điện mà còn làm chậm quá trình chuyển đổi sang năng lượng sạch cần thiết để ngăn chặn biến đổi khí hậu.

Từ góc độ năng lượng, vấn đề trung tâm dữ liệu có nhiều khía cạnh. Dưới đây là một số vấn đề mà các nhà nghiên cứu của MIT đang tập trung vào và lý do tại sao chúng lại quan trọng.

Nhu cầu điện năng tăng đột biến chưa từng có

“Trước đây, điện toán không phải là lĩnh vực tiêu thụ điện năng đáng kể”, William H. Green, giám đốc MITEI và Giáo sư Hoyt C. Hottel thuộc Khoa Kỹ thuật Hóa học của MIT, cho biết. “Điện được sử dụng để vận hành các quy trình công nghiệp và cung cấp năng lượng cho các thiết bị gia dụng như máy điều hòa và đèn chiếu sáng, và gần đây hơn là để cung cấp năng lượng cho máy bơm nhiệt và sạc xe điện. Nhưng giờ đây, đột nhiên, điện năng sử dụng cho điện toán nói chung, và đặc biệt là cho các trung tâm dữ liệu, đang trở thành một nhu cầu khổng lồ mới mà không ai lường trước được”.

Tại sao lại thiếu tầm nhìn xa như vậy? Thông thường, nhu cầu điện năng tăng khoảng nửa phần trăm mỗi năm và các công ty điện lực sẽ đưa vào sử dụng các máy phát điện mới và thực hiện các khoản đầu tư khác khi cần thiết để đáp ứng nhu cầu mới dự kiến. Nhưng các trung tâm dữ liệu hiện đang đi vào hoạt động đang tạo ra những bước nhảy vọt chưa từng có về nhu cầu mà các nhà điều hành không lường trước được. Thêm vào đó, nhu cầu mới này là liên tục. Điều quan trọng là một trung tâm dữ liệu phải cung cấp dịch vụ của mình suốt ngày đêm. Không thể có bất kỳ sự gián đoạn nào trong việc xử lý các tập dữ liệu lớn, truy cập dữ liệu được lưu trữ và vận hành thiết bị làm mát cần thiết để giữ cho tất cả các máy tính được bố trí sát nhau hoạt động liên tục mà không bị quá nóng.

Hơn nữa, ngay cả khi sản xuất đủ điện, việc đưa điện đến nơi cần thiết cũng có thể là một vấn đề, Deepjyoti Deka, một nhà khoa học nghiên cứu tại MITEI, giải thích. “Lưới điện là một hệ thống vận hành trên toàn mạng lưới, và nhà điều hành lưới điện có thể có đủ nguồn điện ở một địa điểm khác hoặc thậm chí ở những nơi khác trong nước, nhưng đường dây có thể không đủ khả năng để truyền tải điện đến nơi cần thiết.” Vì vậy, cần phải mở rộng công suất truyền tải, theo Deka, đó là một quá trình chậm.

Tiếp theo là "hàng chờ kết nối". Đôi khi, việc thêm một người dùng mới hoặc một máy phát điện mới vào lưới điện hiện có có thể gây ra sự bất ổn hoặc các vấn đề khác cho tất cả những người khác đã có mặt trên lưới điện. Trong tình huống đó, việc đưa một trung tâm dữ liệu mới vào hoạt động có thể bị trì hoãn. Sự chậm trễ đủ lớn có thể dẫn đến việc các tải hoặc máy phát điện mới phải xếp hàng chờ đến lượt mình. Hiện tại, phần lớn hàng chờ kết nối đã được lấp đầy bởi các dự án năng lượng mặt trời và gió mới. Thời gian chậm trễ hiện nay khoảng năm năm. Việc đáp ứng nhu cầu từ các trung tâm dữ liệu mới được lắp đặt đồng thời đảm bảo chất lượng dịch vụ ở những nơi khác không bị ảnh hưởng là một vấn đề cần được giải quyết.

Tìm kiếm các nguồn điện sạch

Để làm cho thách thức thêm phức tạp, nhiều công ty - bao gồm cả những công ty được gọi là “siêu quy mô” như Google, Microsoft và Amazon - đã công khai cam kết đạt được mục tiêu phát thải carbon ròng bằng không trong vòng 10 năm tới. Nhiều công ty đã đạt được những bước tiến đáng kể hướng tới mục tiêu năng lượng sạch bằng cách mua “thỏa thuận mua bán điện”. Họ ký hợp đồng mua điện từ, ví dụ, một nhà máy năng lượng mặt trời hoặc năng lượng gió, đôi khi còn cung cấp kinh phí để xây dựng nhà máy đó. Nhưng cách tiếp cận năng lượng sạch này có những hạn chế khi đối mặt với nhu cầu điện năng cực lớn của một trung tâm dữ liệu.

Trong khi đó, nhu cầu tiêu thụ điện năng tăng vọt đang làm trì hoãn việc đóng cửa các nhà máy điện than ở nhiều bang. Đơn giản là không có đủ nguồn năng lượng tái tạo để phục vụ cả các tập đoàn điện toán đám mây quy mô lớn và người dùng hiện tại, bao gồm cả người tiêu dùng cá nhân. Do đó, các nhà máy điện truyền thống sử dụng nhiên liệu hóa thạch như than đá lại càng cần thiết hơn bao giờ hết.

Khi các nhà cung cấp dịch vụ điện toán đám mây quy mô lớn tìm kiếm các nguồn năng lượng sạch cho trung tâm dữ liệu của mình, một lựa chọn có thể là xây dựng các nhà máy điện gió và điện mặt trời riêng. Tuy nhiên, các cơ sở như vậy chỉ tạo ra điện năng không liên tục. Do cần nguồn điện không bị gián đoạn, trung tâm dữ liệu sẽ phải duy trì các thiết bị lưu trữ năng lượng, vốn rất tốn kém. Thay vào đó, họ có thể dựa vào máy phát điện chạy bằng khí đốt tự nhiên hoặc dầu diesel để dự phòng điện – nhưng các thiết bị này cần được kết hợp với thiết bị thu giữ khí thải carbon, cùng với một địa điểm gần đó để xử lý vĩnh viễn lượng carbon đã thu giữ.

Do những phức tạp như vậy, một số nhà cung cấp dịch vụ điện toán đám mây quy mô lớn đang chuyển sang sử dụng năng lượng hạt nhân. Như Green đã lưu ý, “Năng lượng hạt nhân rất phù hợp với nhu cầu của các trung tâm dữ liệu, bởi vì các nhà máy điện hạt nhân có thể sản xuất ra lượng điện lớn một cách đáng tin cậy, không bị gián đoạn.”

Trong một động thái được công bố rộng rãi vào tháng 9, Microsoft đã ký một thỏa thuận mua điện trong 20 năm sau khi Constellation Energy mở cửa trở lại một trong những lò phản ứng không bị hư hại tại nhà máy điện hạt nhân Three Mile Island, nơi xảy ra tai nạn hạt nhân gây chấn động dư luận năm 1979. Nếu được các cơ quan quản lý chấp thuận, Constellation sẽ đưa lò phản ứng đó vào hoạt động trước năm 2028, và Microsoft sẽ mua toàn bộ điện năng sản xuất ra. Amazon cũng đạt được thỏa thuận mua điện năng sản xuất bởi một nhà máy điện hạt nhân khác đang đứng trước nguy cơ đóng cửa do khó khăn tài chính. Và vào đầu tháng 12, Meta đã đưa ra lời kêu gọi đề xuất để xác định các nhà phát triển năng lượng hạt nhân nhằm giúp công ty đáp ứng nhu cầu về trí tuệ nhân tạo và các mục tiêu bền vững của họ.

Các tin tức khác về năng lượng hạt nhân tập trung vào các lò phản ứng hạt nhân mô-đun nhỏ (SMR), các nhà máy điện mô-đun được sản xuất tại nhà máy, có thể được lắp đặt gần các trung tâm dữ liệu, mà không gặp phải tình trạng đội chi phí và chậm trễ thường thấy khi xây dựng các nhà máy lớn. Gần đây, Google đã đặt hàng một loạt các lò phản ứng SMR để tạo ra điện năng cần thiết cho các trung tâm dữ liệu của mình. Lò phản ứng đầu tiên sẽ hoàn thành vào năm 2030 và các lò còn lại vào năm 2035.

Một số công ty siêu quy mô đang đặt cược vào các công nghệ mới. Ví dụ, Google đang theo đuổi các dự án địa nhiệt thế hệ tiếp theo, và Microsoft đã ký hợp đồng mua điện từ nhà máy điện nhiệt hạch của một công ty khởi nghiệp bắt đầu từ năm 2028 — mặc dù công nghệ nhiệt hạch vẫn chưa được chứng minh.

Giảm nhu cầu điện năng

Các phương pháp khác để cung cấp đủ điện sạch tập trung vào việc làm cho trung tâm dữ liệu và các hoạt động bên trong nó tiết kiệm năng lượng hơn, nhằm thực hiện cùng một tác vụ tính toán với ít điện năng hơn. Việc sử dụng chip máy tính nhanh hơn và tối ưu hóa thuật toán sử dụng ít năng lượng hơn đã giúp giảm tải và cả lượng nhiệt sinh ra.

Một ý tưởng khác đang được thử nghiệm liên quan đến việc chuyển các tác vụ tính toán sang thời gian và địa điểm khác, nơi có sẵn năng lượng không phát thải carbon trên lưới điện. Deka giải thích: “Nếu một tác vụ không cần phải hoàn thành ngay lập tức, mà cần phải hoàn thành trước một thời hạn nhất định, liệu nó có thể bị trì hoãn hoặc chuyển đến trung tâm dữ liệu khác ở Mỹ hoặc nước ngoài, nơi điện năng dồi dào hơn, rẻ hơn và/hoặc sạch hơn không? Cách tiếp cận này được gọi là 'điện toán nhận thức carbon'.” Deka cho biết chúng ta vẫn chưa chắc chắn liệu mọi tác vụ có thể dễ dàng được di chuyển hoặc trì hoãn hay không. “Nếu bạn nghĩ về một tác vụ dựa trên trí tuệ nhân tạo tạo sinh, liệu nó có thể dễ dàng được chia thành các tác vụ nhỏ hơn, có thể được đưa đến các khu vực khác nhau của đất nước, giải quyết bằng năng lượng sạch, và sau đó được kết hợp lại với nhau không? Chi phí cho việc phân chia tác vụ kiểu này là bao nhiêu?”.

Tất nhiên, phương pháp đó bị hạn chế bởi vấn đề xếp hàng chờ kết nối. Việc tiếp cận năng lượng sạch ở khu vực hoặc tiểu bang khác rất khó khăn. Nhưng các nỗ lực đang được tiến hành để nới lỏng khung pháp lý nhằm đảm bảo rằng các kết nối quan trọng có thể được phát triển nhanh chóng và dễ dàng hơn.

Còn hàng xóm thì sao?

Một mối lo ngại lớn xuyên suốt tất cả các phương án cung cấp điện cho trung tâm dữ liệu là tác động đến người tiêu dùng năng lượng dân cư. Khi một trung tâm dữ liệu xuất hiện trong khu dân cư, không chỉ có những lo ngại về mặt thẩm mỹ mà còn cả những vấn đề thực tế hơn. Liệu dịch vụ điện địa phương có trở nên kém tin cậy hơn? Các đường dây truyền tải mới sẽ được đặt ở đâu? Và ai sẽ trả tiền cho các máy phát điện mới, nâng cấp thiết bị hiện có. Khi các nhà máy sản xuất hoặc công nghiệp mới được xây dựng trong khu dân cư, những mặt tiêu cực thường được bù đắp bằng sự gia tăng việc làm. Nhưng điều đó không đúng với một trung tâm dữ liệu, vốn chỉ cần một vài chục nhân viên.

Có những quy định tiêu chuẩn về cách chia sẻ và phân bổ chi phí bảo trì và nâng cấp. Nhưng tình hình đã hoàn toàn thay đổi với sự xuất hiện của một trung tâm dữ liệu mới. Do đó, các công ty điện lực hiện cần phải xem xét lại cấu trúc giá truyền thống của mình để không gây gánh nặng quá mức cho người dân khi phải chi trả cho những thay đổi cơ sở hạ tầng cần thiết để vận hành các trung tâm dữ liệu.

Những đóng góp của MIT

Tại MIT, các nhà nghiên cứu đang suy nghĩ và khám phá nhiều phương án khác nhau để giải quyết vấn đề cung cấp năng lượng sạch cho các trung tâm dữ liệu. Ví dụ, họ đang nghiên cứu các thiết kế kiến ​​trúc sử dụng thông gió tự nhiên để làm mát, bố trí thiết bị cho phép luồng không khí và phân phối điện tốt hơn, và các hệ thống điều hòa không khí tiết kiệm năng lượng cao dựa trên các vật liệu mới. Họ đang tạo ra các công cụ phân tích mới để đánh giá tác động của việc triển khai trung tâm dữ liệu đối với hệ thống điện của Hoa Kỳ và tìm ra những cách hiệu quả nhất để cung cấp năng lượng sạch cho các cơ sở này. Các nghiên cứu khác tập trung vào việc làm thế nào để phù hợp sản lượng của các lò phản ứng hạt nhân nhỏ với nhu cầu của trung tâm dữ liệu, và làm thế nào để đẩy nhanh tiến độ xây dựng các lò phản ứng đó.

Các nhóm nghiên cứu của MIT cũng tập trung vào việc xác định các nguồn điện dự phòng và lưu trữ dài hạn tốt nhất, cũng như phát triển các hệ thống hỗ trợ ra quyết định để định vị các trung tâm dữ liệu mới được đề xuất, có tính đến khả năng cung cấp điện và nước, các quy định pháp lý, và thậm chí cả tiềm năng sử dụng lượng nhiệt thải đáng kể, ví dụ như để sưởi ấm các tòa nhà gần đó. Các dự án phát triển công nghệ bao gồm thiết kế các chip máy tính nhanh hơn, hiệu quả hơn và các thuật toán tính toán tiết kiệm năng lượng hơn.

Ngoài việc cung cấp sự lãnh đạo và tài trợ cho nhiều dự án nghiên cứu, MITEI còn đóng vai trò là người điều phối, tập hợp các công ty và các bên liên quan để giải quyết vấn đề này. Tại Hội nghị Nghiên cứu Thường niên năm 2024 của MITEI, một nhóm đại diện từ hai nhà cung cấp dịch vụ điện toán đám mây quy mô lớn và hai công ty thiết kế và xây dựng trung tâm dữ liệu đã cùng nhau thảo luận về những thách thức, giải pháp khả thi và lĩnh vực mà nghiên cứu của MIT có thể mang lại lợi ích lớn nhất.

Theo Green, khi các trung tâm dữ liệu tiếp tục được xây dựng và ngành điện toán tiếp tục tạo ra nhu cầu điện năng tăng cao chưa từng có, các nhà khoa học và kỹ sư đang chạy đua để cung cấp các ý tưởng, đổi mới và công nghệ có thể đáp ứng nhu cầu này, đồng thời tiếp tục thúc đẩy quá trình chuyển đổi sang hệ thống năng lượng không phát thải carbon.