كفاءة استخدام المياه: تبريد مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي دون أزمة
تم التحديث في 11 ديسمبر 2025
تحديث ديسمبر 2025: تنشر Microsoft أنظمة تبريد ذات دائرة مغلقة بدون تبخر للمياه - مما يلغي المياه التبخيرية ويقلل الاستخدام بأكثر من 125 مليون لتر لكل منشأة سنوياً. تستهلك مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي مياه تبريد أكثر بـ 10-50 مرة من مزارع الخوادم التقليدية. تستخدم منشآت Google في المتوسط 550,000 جالون يومياً. تبخر تدريب GPT-3 وحده 700,000 لتر من المياه العذبة. أصبحت التصاميم الخالية من المياه هي الاتجاه السائد في الصناعة.
ستستخدم مراكز بيانات Microsoft القادمة نظام تبريد ذو دائرة مغلقة بدون تبخر للمياه يلغي الحاجة إلى المياه التبخيرية بالكامل.¹ بمجرد ملئه عند البناء، يعيد النظام تدوير سائل التبريد باستمرار، مما يقلل استخدام المياه السنوي بأكثر من 125 مليون لتر لكل منشأة. يمثل هذا التصميم تحولاً جوهرياً في كيفية تعامل البنية التحتية للذكاء الاصطناعي مع استهلاك المياه - من قبول الاستخدام العالي للمياه إلى التخلص منه هندسياً.
تستهلك مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي مياه تبريد أكثر بـ 10-50 مرة من مزارع الخوادم التقليدية.² يخلق هذا الحجم مخاوف حقيقية تتعلق بالاستدامة: تستخدم مراكز بيانات Google في المتوسط 550,000 جالون يومياً لكل منشأة، وتبخر تدريب GPT-3 وحده 700,000 لتر من المياه العذبة.³ تواجه المؤسسات التي تبني البنية التحتية للذكاء الاصطناعي ضغوطاً متزايدة من الجهات التنظيمية والمجتمعات والتزاماتها الخاصة بالاستدامة لمعالجة استهلاك المياه. يساعد فهم كفاءة استخدام المياه (WUE) والتقنيات التي تدفع نحو التبريد الخالي من المياه في التعامل مع هذا المشهد المتطور.
فهم WUE
قدمت The Green Grid مقياس كفاءة استخدام المياه في عام 2011 كمقياس موحد لاستهلاك المياه في مراكز البيانات.⁴ مثل كفاءة استخدام الطاقة (PUE) للطاقة، يوفر WUE معياراً لمقارنة كفاءة المياه عبر المنشآت.
حساب WUE
يقيس WUE لترات المياه المستهلكة لكل كيلوواط ساعة من طاقة معدات تكنولوجيا المعلومات:
WUE = استخدام المياه السنوي للموقع (لتر) / طاقة معدات تكنولوجيا المعلومات السنوية (كيلوواط ساعة)
تلتقط الصيغة جميع استهلاكات المياه - مياه تعويض أبراج التبريد والترطيب وأي استخدام تشغيلي آخر للمياه - نسبة إلى القدرة الحاسوبية الفعلية المقدمة.
مثال على الحساب:
استخدام المياه في المنشأة: 50 مليون لتر/سنة
استهلاك طاقة تكنولوجيا المعلومات: 100 مليون كيلوواط ساعة/سنة
WUE = 50,000,000 / 100,000,000 = 0.5 لتر/كيلوواط ساعة
معايير WUE
WUE المثالي: 0.0 لتر/كيلوواط ساعة يمكن للمنشآت المبردة بالهواء التي لا تستخدم التبريد التبخيري تحقيق صفر استخدام للمياه. المقايضة: استهلاك أعلى للطاقة و PUE.
متوسط الصناعة: 1.8-1.9 لتر/كيلوواط ساعة تقع معظم مراكز البيانات في هذا النطاق، باستخدام التبريد التبخيري الذي يستبدل المياه بكفاءة الطاقة.⁵
الأفضل في فئته: 0.3-0.7 لتر/كيلوواط ساعة يحقق مركز بيانات NREL معدل 0.7 لتر/كيلوواط ساعة إلى جانب PUE بقيمة 1.06، مما يدل على أن WUE المنخفض لا يتطلب التضحية بكفاءة الطاقة.⁶
التباين الإقليمي: يتباين WUE لدى Microsoft بشكل كبير حسب الموقع - تعمل أريزونا بمعدل 1.52 لتر/كيلوواط ساعة بينما تحقق سنغافورة 0.02 لتر/كيلوواط ساعة.⁷ يؤثر المناخ وتوفر المياه وتقنية التبريد جميعها على WUE القابل للتحقيق.
المقايضة بين WUE و PUE
غالباً ما يتحرك WUE و PUE بشكل عكسي:
التبريد بالهواء: صفر استخدام للمياه (WUE = 0) لكن استهلاك أعلى للطاقة (PUE 1.4-1.8)
التبريد التبخيري: استخدام عالٍ للمياه (WUE 1.5-2.5) لكن كفاءة طاقة أفضل (PUE 1.1-1.3)
التبريد السائل: استخدام ضئيل للمياه في تصاميم الدائرة المغلقة (WUE قريب من 0) مع كفاءة طاقة ممتازة (PUE 1.05-1.2)
يكسر التبريد السائل المقايضة التقليدية، مما يتيح كلاً من WUE المنخفض و PUE المنخفض - وهذا ما يفسر اعتماده السريع للبنية التحتية للذكاء الاصطناعي.
تحدي استهلاك المياه للذكاء الاصطناعي
تخلق أحمال عمل الذكاء الاصطناعي متطلبات مياه غير مسبوقة من خلال الجمع بين كثافة الطاقة الأعلى والتشغيل المستمر.
حجم الاستهلاك
نما استخدام المياه لدى الشركات الكبرى بشكل كبير مع توسع الذكاء الاصطناعي:
Google: استهلكت 24,227 ميجالتر في 2023 - ثلاثة أضعاف استخدام Microsoft وتنمو بنسبة 17% سنوياً.⁸
Microsoft: 7,844 ميجالتر في 2023، مع استهلاك 41% في مناطق تعاني من شح المياه. استخدمت العمليات العالمية ما يقرب من 6.4 مليون متر مكعب، بزيادة 34% على أساس سنوي.⁹
توقعات الصناعة: من المتوقع أن يصل استخدام المياه إلى 1,068 مليار لتر سنوياً بحلول 2028 - زيادة 11 ضعفاً عن المستويات الحالية.¹⁰
العوامل الخاصة بالذكاء الاصطناعي
تدفع أحمال عمل الذكاء الاصطناعي استهلاكاً أعلى للمياه من خلال عدة آليات:
كثافة الطاقة: تعمل حوامل GPU بقدرة 50-135 كيلوواط، مقابل 10-20 كيلوواط للخوادم التقليدية. يتطلب إخراج الحرارة الأعلى تبريداً أكثر كثافة.
التشغيل المستمر: تولد جولات التدريب التي تستمر لأسابيع أو أشهر أحمال حرارة مستدامة دون فترات الخمول المتقطعة لأحمال العمل المؤسسية النموذجية.
نمو الاستدلال: تعمل عمليات نشر الذكاء الاصطناعي الإنتاجية على تشغيل الاستدلال بشكل مستمر، مما يخلق متطلبات تبريد على مدار الساعة تتراكم فيها استهلاك المياه.
التأثير لكل استعلام: يقدر باحثون في جامعة كاليفورنيا ريفرسايد أن كل موجه ذكاء اصطناعي من 100 كلمة يستخدم حوالي 519 ملليلتر من المياه - أي ما يعادل زجاجة واحدة تقريباً لكل تفاعل.¹¹
التركز الجغرافي
يتفاقم شح المياه في المناطق ذات الاستثمار الكثيف في البنية التحتية للذكاء الاصطناعي:
أريزونا: وجود كبير للشركات الكبرى في مناخ صحراوي بموارد مياه محدودة. تعمل منشآت Microsoft في أريزونا بمعدل 1.52 لتر/كيلوواط ساعة WUE - من بين أعلى معدلاتها عالمياً.
أوريغون: يضغط انتشار مراكز البيانات على موارد المياه في المجتمعات التي تعتمد على نفس المصادر للزراعة والاستخدام السكني.
التوسع العالمي: تواجه الشركات الكبرى انتقادات لبناء منشآت كثيفة الاستهلاك للمياه في مناطق معرضة للجفاف بينما تسعى لتحقيق التزامات إيجابية تجاه المياه.¹²
تقنيات التبريد وكفاءة المياه
التبريد التبخيري التقليدي
يظل التبريد التبخيري التقنية السائدة في مراكز البيانات الحالية:
كيف يعمل: يمتص الماء الحرارة أثناء تبخره، وينقل الطاقة الحرارية من المنشأة إلى الغلاف الجوي. تتبخر أبراج التبريد المياه باستمرار لطرد الحرارة من مركز البيانات.
استهلاك المياه: تستهلك الأنظمة التبخيرية 1.5-3.0 لتر/كيلوواط ساعة حسب المناخ والكفاءة.
ميزة الطاقة: يقلل التبريد التبخيري من عمل الضاغط، مما يحسن PUE بنسبة 15-30% مقارنة بالتبريد الميكانيكي في المناخات المناسبة.
القيود: استهلاك عالٍ للمياه، ومتطلبات معالجة مياه التعويض، وخطر الليجيونيلا من أبراج التبريد.
بدائل التبريد بالهواء
تلغي المنشآت المبردة بالهواء استهلاك المياه لكنها تضحي بكفاءة الطاقة:
التبريد الميكانيكي: تطرد الأنظمة القائمة على الضاغط الحرارة دون تبخر المياه. استهلاك أعلى للطاقة (PUE 1.4+) لكن صفر استخدام للمياه.
التبريد المجاني: استخدام الهواء المحيط مباشرة عندما تسمح درجات الحرارة الخارجية. فعال في المناخات الباردة لكن محدود التطبيق للبنية التحتية للذكاء الاصطناعي في التكوينات عالية الكثافة.
الأفضل لـ: المناطق التي تعاني من شح المياه حيث يفوق الحفاظ على المياه اعتبارات كفاءة الطاقة.
التبريد السائل المباشر للشريحة
يمثل التبريد السائل التقنية الثورية التي تمكن من تحقيق كفاءة المياه والطاقة معاً:
كيف يعمل: تُثبت الألواح الباردة مباشرة على وحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات ووحدات الذاكرة ومنظمات الجهد. تقوم أنظمة الدائرة المغلقة بتدوير سائل التبريد عبر هذه الألواح، مما يزيل الحرارة من المصدر قبل أن تتبدد في الهواء.¹³
استهلاك المياه: لا تستخدم تصاميم الدائرة المغلقة أي مياه في التشغيل العادي. يُملأ النظام مرة واحدة عند البناء ويعيد التدوير بشكل مستمر.
كفاءة الطاقة: يحقق التبريد السائل PUE أقل من 1.2 مع إلغاء استهلاك المياه بالكامل.¹⁴
تطبيق NVIDIA: يوفر نظام GB200 NVL72 المبرد بالسائل على مستوى الحامل كفاءة مياه أفضل بـ 300 مرة من البنيات التقليدية المبردة بالهواء.¹⁵
التبريد ثنائي الطور
يستخدم التبريد السائل المتقدم تغيير الطور لتحقيق أقصى كفاءة:
كيف يعمل: يغلي سائل عازل مُصاغ خصيصاً (من موردين مثل Honeywell و Chemours) عند درجات حرارة منخفضة تصل إلى 18 درجة مئوية. يمتص تغيير الطور طاقة حرارية كبيرة، مما يوفر تبريداً أكثر كفاءة من أنظمة السوائل أحادية الطور.¹⁶
التشغيل بدون مياه: تزيل تقنية HyperCool من ZutaCore الحرارة مباشرة من المصدر، مما يلغي استخدام المياه ويخفض استهلاك الطاقة بنسبة تصل إلى 82%.¹⁷
مزايا السلامة: لن تتلف السوائل العازلة الإلكترونيات إذا حدث تسرب، على عكس سوائل التبريد القائمة على الماء.
التبريد بالغمر
يوفر الغمر الكامل الحل النهائي لكثافة الحرارة:
الغمر أحادي الطور: تُغمر الخوادم في سائل عازل يمتص الحرارة من خلال الحمل الحراري. لا حاجة للمياه.
الغمر ثنائي الطور: تُغمر الخوادم في سائل منخفض نقطة الغليان يغلي بشكل نشط بالقرب من المكونات المنتجة للحرارة، مما يوفر تبريداً فعالاً للغاية.
الاعتماد: نفذت Microsoft و Google و Meta جميعها التبريد بالغمر للبنية التحتية لتدريب الذكاء الاصطناعي ذات الكثافة العالية.
استراتيجيات المياه لدى الشركات الكبرى
مسار Microsoft نحو إيجابية المياه
التزمت Microsoft بأن تصبح إيجابية المياه بحلول 2030 - تعويض مياه أكثر مما تستهلكه عبر العمليات العالمية:¹⁸
نشر التبريد بدون مياه: يلغي التبريد السائل ذو الدائرة المغلقة على مستوى الشريحة المياه التبخيرية بالكامل. يُختبر حالياً في فينيكس، أريزونا، وماونت بليزانت، ويسكونسن، مع توقع التشغيل في 2026. بحلول أواخر 2027، يصبح التبخر الصفري للمياه المعيار عبر مراكز البيانات الجديدة.
تأثير المنشأة: تقلل كل منشأة خالية من المياه الاستهلاك السنوي بأكثر من 125 مليون لتر مقارنة بالتصاميم التبخيرية.
مشاريع التعويض: تعوض مشاريع استعادة المياه في المجتمعات التي تعاني من شح المياه استهلاك المنشآت الحالية.
أداء 2023: استُهلك 7,844 ميجالتر، رغم أن 41% في مناطق تعاني من شح المياه يبرز تحدي البنية التحتية الحالية.
التزام Google بالتعويض
تعهدت Google بتعويض 120% من المياه المستهلكة بحلول 2030:¹⁹
الكفاءة التشغيلية: تحسين كفاءة التبريد عبر المنشآت الحالية لتقليل الاستهلاك الأساسي.
شراكات مستجمعات المياه: التعاون مع المجتمعات والمنظمات لتعويض استخدام المياه وتحسين صحة مستجمعات المياه.
الاستثمار التقني: دعم أمن المياه من خلال التكنولوجيا والابتكار بما يتجاوز العمليات المباشرة.
استهلاك 2023: 24,227 ميجالتر - الأعلى بين الشركات الكبرى، مما يعكس حجم مراكز بيانات Google.
تركيز Meta على الكفاءة
التزمت Meta بإيجابية المياه بحلول 2030 مع التركيز على الكفاءة التشغيلية:²⁰
ممارسات البناء: استخدام المياه المعاد تدويرها للبناء وتطبيق أفضل الممارسات لتقليل احتياجات مياه البناء.
إعادة التدوير داخل المنشأة: إعادة تدوير المياه داخل المنشآت عدة مرات قبل التصريف.
الكفاءة التشغيلية: تمثل مراكز البيانات معظم استخدام Meta للمياه، مما يجعل التحسينات التشغيلية الرافعة الأساسية.
خط الأساس الأقل: 2,938 ميجالتر في 2023 - أقل بكثير من Google أو Microsoft، مما يعكس حجم البنية التحتية المختلف.
دخول AWS المتأخر
التزمت AWS بإيجابية المياه بحلول 2030 في re:Invent 2024:²¹
اعتماد التبريد المباشر للشريحة: تنشر AWS ألواحاً باردة مباشرة على الشرائح مع تدوير الدائرة المغلقة، مما يلغي زيادات استهلاك المياه من البنية التحتية الجديدة للذكاء الاصطناعي.
السوائل المهندسة: استخدام سوائل تبريد مُصاغة خصيصاً بدلاً من الماء، مما يتجنب خسائر التبخر بالكامل.
تعويض المجتمع: إعادة مياه للمجتمعات أكثر مما تستهلكه العمليات المباشرة.
أفضل الممارسات التشغيلية
القياس والمراقبة
تتطلب الإدارة الفعالة للمياه قياساً شاملاً:
بنية القياس التحتية: تركيب عدادات فرعية لأبراج التبريد وأنظمة الترطيب وأي معدات أخرى تستهلك المياه. توفر المجاميع الشهرية أو السنوية WUE أكثر تمثيلاً من اللقطات اليومية.²²
المراقبة في الوقت الفعلي: تتبع استهلاك المياه إلى جانب درجة الحرارة والرطوبة وحمل تكنولوجيا المعلومات لتحديد فرص التحسين.
إنشاء خط الأساس: توثيق WUE الحالي قبل تنفيذ التحسينات لقياس التأثير بدقة.
تحسين درجة الحرارة والرطوبة
يقلل ضبط المعلمات البيئية من استهلاك المياه:
رفع نقاط ضبط درجة الحرارة:
[تم اقتطاع المحتوى للترجمة]
