آیا بحران آب مراکز داده قابل مهار است؟

پردازش ابری، ذخیره‌سازی داده‌ها و اجرای مدل‌های سنگین محاسباتی نیازمند زیرساخت‌های فیزیکی عظیمی هستند که به طور مداوم حرارت تولید می‌کنند. شرکت‌های فناوری برای جلوگیری از افت کارایی و استهلاک قطعات، به سیستم‌های خنک‌کننده متکی هستند. در این میان، بحران آب مراکز داده به عنوان یکی از چالش‌های پنهان توسعه زیرساخت‌های محاسباتی آشکار شده است. یک مجتمع بزرگ پردازشی می‌تواند روزانه به اندازه یک شهر 50000 نفری آب مصرف کند، آبی که بخش زیادی از آن تبخیر می‌شود و دیگر به چرخه مصرف محلی بازنمی‌گردد.

پژوهشگران در مطالعه‌ای که در نشریه Environmental Science & Technology منتشر شد، موقعیت جغرافیایی 9347 دیتاسنتر را در سراسر کره زمین بررسی کردند. بر پایه گزارش انجمن شیمی آمریکا درباره این پژوهش به سرپرستی لورنزو روزا از مؤسسه علوم کارنگی، حدود 25 درصد از کل این تاسیسات در مناطقی احداث شده‌اند که تقاضا برای آب حداقل یک ماه در سال از ظرفیت تامین محلی بیشتر است. این استقرار نامناسب، رقابتی سنگین بر سر منابع حیاتی ایجاد می‌کند.

مسئله اساسی این است که آب برخلاف نیروی برق قابلیت انتقال اقتصادی از مسافت‌های دور را ندارد. برق را می‌توان از طریق خطوط انتقال فشار قوی از صدها کیلومتر دورتر به دیتاسنتر رساند، اما انتقال مداوم حجم عظیمی از آب نیازمند لوله‌کشی‌های پرهزینه و صرف انرژی هنگفت است. بنابراین بقای این تاسیسات مستقیما به سفره‌های زیرزمینی و آب‌های سطحی همان منطقه‌ای گره خورده است که سرورها در آن مستقر هستند.

ابعاد پنهان بحران آب مراکز داده در عصر هوش مصنوعی چیست؟

مراکز پردازش داده در زمین‌های خالی احداث نشده‌اند، بلکه در مناطقی متمرکز هستند که هم‌زمان باید آب مورد نیاز جمعیت‌های انسانی و اراضی کشاورزی را تامین کنند. بررسی‌های آماری نشان می‌دهد 41 درصد دیتاسنترهای فعال در جهان به طور مستقیم با شبکه‌های آب شهری رقابت دارند. علاوه بر این، 28 درصد دیگر از این تاسیسات در حوزه‌های آبریز کشاورزی قرار گرفته‌اند، جایی که هر لیتر آب مصرفی سرورها می‌تواند دسترسی به منابع تولید محصولات غذایی را محدود سازد.

ابعاد این اصطکاک منابع زمانی شفاف‌تر می‌شود که بدانیم گسترش توسعه دیتاسنتر در نواحی پیرامونی شهرها، تنش میان ساکنان و شرکت‌های بزرگ را افزایش داده است. در حال حاضر 523 مرکز داده، یعنی بیش از 5 درصد از کل تاسیسات شناسایی‌شده، دست‌کم 9 ماه در هر سال با کمبود و شکاف شدید آب روبه‌رو هستند. این وضعیت نشان می‌دهد که برخی از حیاتی‌ترین گره‌های شبکه اینترنت در محیط‌هایی استقرار یافته‌اند که در مرز خشکسالی دائمی قرار دارند.

پیش‌بینی‌های مبتنی بر مدل‌سازی اقلیمی ابعاد نگران‌کننده‌تری را ترسیم می‌کنند. اگر دمای زمین نسبت به سال 1900 میلادی به میزان 3 درجه سانتی‌گراد افزایش یابد، سهم دیتاسنترهای واقع در پهنه‌های بحرانی ظرف 10 سال آینده به 33 درصد خواهد رسید. در این شرایط، حتی مناطقی که اکنون ثبات نسبی دارند وارد تنش هیدرولوژیکی خواهند شد و پایداری فعالیت تجهیزات محاسباتی را به مخاطره می‌اندازند.

شدت این آسیب‌پذیری در سراسر دنیا یکنواخت نیست. بر اساس داده‌های پژوهش، بخش عمده مراکزی که به دلیل بالا رفتن دمای هوا وارد زون‌های پرخطر می‌شوند در ایالات متحده قرار دارند. در مقابل، کشورهایی نظیر بریتانیا و آلمان به دلیل الگوهای بارش منظم‌تر و اقلیم معتدل‌تر، تغییرات کمتری را در الگوی کمبود آب تاسیسات خود تجربه خواهند کرد. این ناهمگونی ضرورت بازنگری در سیاست‌های جانمایی زیرساخت‌های فناوری را اثبات می‌کند.

چرا سیستم‌های خنک‌کننده سرور به مصرف آب شیرین وابسته‌اند؟

برای درک حجم آب مصرفی، باید سازوکار ترمودینامیکی خنک‌کاری سرورها را شناخت. رک‌های متراکم پردازشی، به‌ویژه در پردازش‌های سنگین یادگیری ماشین، حرارت بسیار بالایی در فضایی فشرده آزاد می‌کنند. سیستم‌های خنک‌کننده تبخیری با تکیه بر تبخیر آب، حرارت مبدل‌ها را به هوای آزاد منتقل می‌کنند. این روش از نظر مصرف انرژی الکتریکی بسیار بهینه است و کارایی مصرف برق تاسیسات را بهبود می‌بخشد.

با این حال، کارکرد پایدار سیستم‌های تبخیری وابسته به کیفیت و خلوص آب ورودی است. آب باید عاری از املاح سخت باشد، زیرا تبخیر پیوسته باعث باقی ماندن کلسیم و منیزیم روی برج‌های خنک‌کننده و لوله‌های مبدل می‌شود. رسوب‌گذاری مداوم راندمان انتقال گرما را مختل می‌کند و هزینه‌های نگهداری و تعمیر تجهیزات را به شدت بالا می‌برد. به همین دلیل، مدیران تاسیسات همواره آب شیرین تصفیه‌شده شهری را به آب‌های بازیافتی ترجیح می‌دهند.

با افزایش توان پردازنده‌ها، دفع گرما به چالشی سخت‌تر تبدیل شده است. هم‌زمان با ارزیابی‌های زیرساختی پیرامون اینکه آیا نیروگاه هسته ای برای تامین برق دیتاسنترها کارایی دارد یا خیر، مسئله تامین آب خنک‌کننده همچنان پرهزینه‌تر باقی می‌ماند. در رک‌های مدرن هوش مصنوعی که توان مصرفی آن‌ها بین 40 تا 100 کیلووات است، خنک‌سازی سنتی با جریان هوا توان مهار این حجم از حرارت متمرکز را ندارد.

تفاوت در قدرت مالی شرکت‌های بزرگ فناوری با جوامع محلی، نابرابری در توزیع منابع را تشدید می‌کند. شرکت‌های فناوری به علت منابع مالی فراوان می‌توانند نرخ‌های بالاتری برای خرید حقابه پرداخت کنند و قراردادهای انحصاری تامین با نهادهای محلی ببندند. در مقابل، ساکنان بومی و کشاورزان خرد توان مالی رقابت با این قیمت‌ها را ندارند. در نتیجه، کمبود آب به جای ایجاد وقفه در کارکرد سرورها، به افت ذخایر آبی و فشار بر معیشت ساکنان منطقه ختم می‌شود.

آیا راهکارهای فنی توان مهار مصرف آب دیتاسنترها را دارند؟

مهندسان حوزه شبکه و زیرساخت گزینه‌های مختلفی را برای کاهش مصرف آب شیرین دنبال می‌کنند، اما هر روش چالش‌های مهندسی خاص خود را دارد. استفاده از سامانه‌های خنک‌کننده خشک و متکی بر جریان هوا، مصرف آب را به طور کامل متوقف می‌کند. با این حال، کارایی این سامانه‌ها در روزهای گرم به شدت افت می‌کند و برای مهار گرما نیازمند برق بسیار بیشتری هستند، موضوعی که هزینه‌های انرژی و تولید آلاینده‌ها را افزایش می‌دهد.

گزینه دیگر، بهره‌گیری از فاضلاب بازیافتی شهری یا آب دریای نمک‌زدایی‌شده است. این رویکرد برداشت از منابع آب شرب شهری را کاهش می‌دهد، اما راه‌اندازی سامانه‌های تصفیه پیشرفته در محل دیتاسنتر نیازمند سرمایه‌گذاری سنگین اولیه است. علاوه بر هزینه راه‌اندازی، دفع پساب‌های غلیظ نمکی حاصل از تصفیه اسمز معکوس نیز دغدغه‌های محیط‌زیستی تازه‌ای برای سفره‌های آب زیرزمینی به همراه دارد.

سیستم‌های خنک‌کاری مایع مداربسته نیز به صورت محدود در حال به‌کارگیری هستند. در این ساختارها، مایع خنک‌کننده بدون تبخیر درون یک چرخه بسته گردش می‌کند تا حرارت پردازنده‌ها را جذب کند. اگرچه این مکانیزم هدررفت آب را مهار می‌کند، اما پیچیدگی اتصالات و هزینه تعویض معماری سنتی رک‌ها مانع از پیاده‌سازی سریع آن در تمام دیتاسنترهای فعال شده است.

پنهان‌کاری آماری نیز مانع از کنترل این بحران می‌شود. مصرف برق تاسیسات داده با کنتورهای دقیق ثبت می‌شود و در گزارش‌های پایداری شرکت‌ها انعکاس می‌یابد، اما داده‌های مصرف آب و حجم برداشت از چاه‌های عمیق معمولا به شکل شفاف اعلام نمی‌شود. عدم انتشار این داده‌ها باعث می‌شود نهادهای شهری نتوانند اثرات بلندمدت برداشت آب را به درستی پایش کنند.

ارتباط میان گسترش هوش مصنوعی و منابع محدود هیدرولوژیکی نشان می‌دهد توسعه دیجیتال نمی‌تواند بدون توجه به جغرافیای اقلیمی ادامه یابد. تعیین ضوابط اجباری برای استفاده از آب بازیافتی و هدایت سرمایه‌گذاری‌ها به مناطقی با ذخایر آبی مطمئن، تصمیم مهمی است که پیش روی نهادهای تنظیم‌گر قرار دارد، تصمیمی که تعیین می‌کند آیا رشد زیرساخت‌های هوش مصنوعی بدون قربانی کردن منابع آب شرب امکان‌پذیر خواهد بود یا خیر.