Ефективність використання води: охолодження ЦОД для ШІ без кризи
Оновлено 11 грудня 2025 року
Оновлення за грудень 2025: Microsoft впроваджує замкнуте охолодження без випаровування води — повністю усуваючи випаровування та скорочуючи споживання на 125+ млн літрів на об'єкт щорічно. ЦОД для ШІ споживають у 10-50 разів більше охолоджуючої води, ніж традиційні серверні ферми. Об'єкти Google споживають у середньому 550 000 галонів щодня. На навчання GPT-3 випарувалося 700 000 літрів прісної води. Безводні конструкції стають галузевим напрямком.
Майбутні центри обробки даних Microsoft використовуватимуть замкнуте охолодження без випаровування води, що повністю усуває потребу у випаровуванні.¹ Після заповнення під час будівництва система безперервно рециркулює теплоносій, скорочуючи річне споживання води більш ніж на 125 мільйонів літрів на об'єкт. Ця конструкція являє собою фундаментальний зсув у підході інфраструктури ШІ до споживання води — від прийняття високого водоспоживання до його інженерного усунення.
Центри обробки даних для ШІ споживають у 10-50 разів більше охолоджуючої води, ніж традиційні серверні ферми.² Масштаб створює реальні проблеми сталого розвитку: центри обробки даних Google споживають у середньому 550 000 галонів щодня на об'єкт, а навчання лише GPT-3 випарувало 700 000 літрів прісної води.³ Організації, що будують інфраструктуру ШІ, стикаються зі зростаючим тиском з боку регуляторів, громад та власних зобов'язань щодо сталого розвитку для вирішення проблеми споживання води. Розуміння показника ефективності використання води (WUE) та технологій, що забезпечують безводне охолодження, допомагає орієнтуватися в цьому мінливому ландшафті.
Розуміння WUE
The Green Grid представив показник ефективності використання води (Water Usage Effectiveness) у 2011 році як стандартизовану метрику споживання води центрами обробки даних.⁴ Подібно до показника ефективності використання енергії (PUE), WUE надає орієнтир для порівняння водної ефективності між об'єктами.
Розрахунок WUE
WUE вимірює літри спожитої води на кіловат-годину енергії ІТ-обладнання:
WUE = Річне споживання води об'єктом (літри) / Річне споживання енергії ІТ-обладнанням (кВт·год)
Формула охоплює все споживання води — підживлювальну воду градирень, зволоження та будь-яке інше операційне водоспоживання — відносно фактично виконаних обчислень.
Приклад розрахунку:
Споживання води об'єктом: 50 мільйонів літрів/рік
Споживання енергії ІТ: 100 мільйонів кВт·год/рік
WUE = 50 000 000 / 100 000 000 = 0,5 л/кВт·год
Орієнтири WUE
Ідеальний WUE: 0,0 л/кВт·год Об'єкти з повітряним охолодженням без випарного охолодження можуть досягти нульового водоспоживання. Компроміс: вище споживання енергії та PUE.
Середній по галузі: 1,8-1,9 л/кВт·год Більшість центрів обробки даних потрапляють у цей діапазон, використовуючи випарне охолодження, що обмінює воду на енергоефективність.⁵
Найкращі в класі: 0,3-0,7 л/кВт·год Центр обробки даних NREL досягає 0,7 л/кВт·год разом з PUE 1,06, демонструючи, що низький WUE не вимагає жертвувати енергоефективністю.⁶
Регіональні варіації: WUE Microsoft суттєво відрізняється залежно від місця розташування — Арізона працює на 1,52 л/кВт·год, тоді як Сінгапур досягає 0,02 л/кВт·год.⁷ Клімат, доступність води та технологія охолодження впливають на досяжний WUE.
Компроміс WUE-PUE
WUE та PUE часто змінюються обернено:
Повітряне охолодження: Нульове водоспоживання (WUE = 0), але вище споживання енергії (PUE 1,4-1,8)
Випарне охолодження: Високе водоспоживання (WUE 1,5-2,5), але краща енергоефективність (PUE 1,1-1,3)
Рідинне охолодження: Мінімальне водоспоживання в замкнутих конструкціях (WUE близько 0) з відмінною енергоефективністю (PUE 1,05-1,2)
Рідинне охолодження долає традиційний компроміс, забезпечуючи як низький WUE, так і низький PUE — що пояснює його швидке впровадження для інфраструктури ШІ.
Виклик водоспоживання ШІ
Навантаження ШІ створюють безпрецедентні потреби у воді через поєднання вищої щільності потужності та безперервної роботи.
Масштаб споживання
Водоспоживання гіперскейлерів різко зросло з розширенням ШІ:
Google: 24 227 мегалітрів спожито у 2023 році — утричі більше, ніж у Microsoft, і зростає на 17% щорічно.⁸
Microsoft: 7 844 мегалітри у 2023 році, з яких 41% спожито в районах з дефіцитом води. Глобальні операції використали майже 6,4 мільйона кубічних метрів, що на 34% більше рік до року.⁹
Галузевий прогноз: Очікується, що водоспоживання досягне 1 068 мільярдів літрів щорічно до 2028 року — 11-кратне збільшення порівняно з поточними рівнями.¹⁰
Фактори, специфічні для ШІ
Навантаження ШІ збільшують водоспоживання через кілька механізмів:
Щільність потужності: Стійки з GPU працюють на 50-135 кВт, порівняно з 10-20 кВт для традиційних серверів. Вища тепловіддача вимагає більш агресивного охолодження.
Безперервна робота: Тренувальні процеси, що тривають тижні або місяці, генерують постійні теплові навантаження без періодичних пауз простою, характерних для типових корпоративних навантажень.
Зростання інференсу: Виробничі розгортання ШІ виконують інференс безперервно, створюючи цілодобові потреби в охолодженні, що накопичують водоспоживання.
Вплив на запит: Дослідники з UC Riverside оцінюють, що кожен запит до ШІ на 100 слів використовує приблизно 519 мілілітрів води — приблизно одну пляшку на взаємодію.¹¹
Географічна концентрація
Водний стрес посилюється в регіонах зі значними інвестиціями в інфраструктуру ШІ:
Арізона: Значна присутність гіперскейлерів у пустельному кліматі з обмеженими водними ресурсами. Об'єкти Microsoft в Арізоні працюють на 1,52 л/кВт·год WUE — серед найвищих у світі.
Орегон: Поширення центрів обробки даних навантажує водні ресурси в громадах, що залежать від тих самих джерел для сільського господарства та побутового використання.
Глобальна експансія: Гіперскейлери стикаються з критикою за будівництво водоємних об'єктів у регіонах, схильних до посух, водночас дотримуючись зобов'язань щодо позитивного водного балансу.¹²
Технології охолодження та водна ефективність
Традиційне випарне охолодження
Випарне охолодження залишається домінуючою технологією в існуючих центрах обробки даних:
Як це працює: Вода поглинає тепло під час випаровування, передаючи теплову енергію від об'єкта в атмосферу. Градирні безперервно випаровують воду для відведення тепла від центру обробки даних.
Водоспоживання: Випарні системи споживають 1,5-3,0 л/кВт·год залежно від клімату та ефективності.
Енергетична перевага: Випарне охолодження зменшує роботу компресора, покращуючи PUE на 15-30% порівняно з механічним охолодженням у відповідних кліматичних умовах.
Обмеження: Високе водоспоживання, вимоги до підготовки підживлювальної води та ризик легіонели від градирень.
Альтернативи повітряного охолодження
Об'єкти з повітряним охолодженням усувають водоспоживання, але жертвують енергоефективністю:
Механічне охолодження: Компресорні системи відводять тепло без випаровування води. Вище споживання енергії (PUE 1,4+), але нульове водоспоживання.
Вільне охолодження (фрікулінг): Використання зовнішнього повітря безпосередньо, коли дозволяє температура навколишнього середовища. Ефективне в прохолодному кліматі, але обмежене застосування для інфраструктури ШІ у високощільних конфігураціях.
Найкраще для: Регіонів з дефіцитом води, де збереження води важливіше за енергоефективність.
Пряме рідинне охолодження чипів
Рідинне охолодження є проривною технологією, що забезпечує як водну, так і енергетичну ефективність:
Як це працює: Холодні пластини монтуються безпосередньо на CPU, GPU, модулі пам'яті та регулятори напруги. Замкнуті системи циркулюють теплоносій через ці пластини, відводячи тепло безпосередньо від джерела, перш ніж воно розсіється в повітрі.¹³
Водоспоживання: Замкнуті конструкції не використовують воду під час нормальної роботи. Система заповнюється один раз під час будівництва та безперервно рециркулює.
Енергоефективність: Рідинне охолодження досягає PUE нижче 1,2 при повному усуненні водоспоживання.¹⁴
Впровадження NVIDIA: Система рідинного охолодження GB200 NVL72 масштабу стійки забезпечує в 300 разів кращу водну ефективність, ніж традиційні архітектури з повітряним охолодженням.¹⁵
Двофазне охолодження
Передове рідинне охолодження використовує фазовий перехід для максимальної ефективності:
Як це працює: Спеціально розроблена діелектрична рідина (від постачальників, таких як Honeywell та Chemours) закипає при температурі всього 18°C. Фазовий перехід поглинає значну теплову енергію, забезпечуючи ефективніше охолодження, ніж однофазні рідинні системи.¹⁶
Безводна робота: Технологія HyperCool від ZutaCore відводить тепло безпосередньо від джерела, усуваючи водоспоживання та скорочуючи споживання енергії до 82%.¹⁷
Переваги безпеки: Діелектричні рідини не пошкоджують електроніку при витоку, на відміну від теплоносіїв на водній основі.
Імерсійне охолодження
Повне занурення забезпечує найкраще рішення для високої теплової щільності:
Однофазне занурення: Сервери занурюються в діелектричну рідину, яка поглинає тепло через конвекцію. Вода не потрібна.
Двофазне занурення: Сервери занурюються в рідину з низькою температурою кипіння, яка активно кипить поруч з тепловиділяючими компонентами, забезпечуючи надзвичайно ефективне охолодження.
Впровадження: Microsoft, Google та Meta впровадили імерсійне охолодження для інфраструктури навчання ШІ найвищої щільності.
Стратегії гіперскейлерів щодо води
Шлях Microsoft до позитивного водного балансу
Microsoft зобов'язалася досягти позитивного водного балансу до 2030 року — поповнювати більше води, ніж споживається в глобальних операціях:¹⁸
Впровадження безводного охолодження: Замкнуте рідинне охолодження на рівні чипів повністю усуває випаровувану воду. Наразі тестується у Фініксі, Арізона, та Маунт-Плезант, Вісконсин, з очікуваним початком експлуатації у 2026 році. До кінця 2027 року охолодження без випаровування води стане стандартом для нових центрів обробки даних.
Вплив на об'єкт: Кожен безводний об'єкт скорочує річне споживання більш ніж на 125 мільйонів літрів порівняно з випарними конструкціями.
Проєкти поповнення: Проєкти відновлення води в громадах з дефіцитом води компенсують споживання існуючих об'єктів.
Показники 2023 року: Спожито 7 844 мегалітри, хоча 41% у районах з дефіцитом води підкреслює виклик існуючої інфраструктури.
Зобов'язання Google щодо поповнення
Google зобов'язалася поповнювати 120% спожитої води до 2030 року:¹⁹
Операційна ефективність: Покращення ефективності охолодження на існуючих об'єктах для зменшення базового споживання.
Партнерства з водозборами: Співпраця з громадами та організаціями для поповнення водоспоживання та покращення здоров'я водозборів.
Технологічні інвестиції: Підтримка водної безпеки через технології та інновації поза межами прямих операцій.
Споживання у 2023 році: 24 227 мегалітрів — найвище серед великих гіперскейлерів, що відображає масштаб центрів обробки даних Google.
Фокус Meta на ефективності
Meta зобов'язалася досягти позитивного водного балансу до 2030 року з акцентом на операційну ефективність:²⁰
Практики будівництва: Використання рециркульованої води для будівництва та впровадження найкращих практик для зменшення будівельних потреб у воді.
Рециркуляція на об'єктах: Багаторазова рециркуляція води в межах об'єктів перед скиданням.
Операційна ефективність: Центри обробки даних складають більшість водоспоживання Meta, що робить операційні вдосконалення основним важелем.
Нижча базова лінія: 2 938 мегалітрів у 2023 році — значно менше, ніж у Google або Microsoft, що відображає різний масштаб інфраструктури.
Пізній вхід AWS
AWS взяла на себе зобов'язання щодо позитивного водного балансу до 2030 року на re:Invent 2024:²¹
Впровадження прямого охолодження чипів: AWS розгортає холодні пластини безпосередньо на чипах із замкнутою циркуляцією, усуваючи зростання водоспоживання від нової інфраструктури ШІ.
Інженерні рідини: Використання спеціально розроблених охолоджуючих рідин замість води, повністю уникаючи втрат на випаровування.
Поповнення для громад: Повернення громадам більше води, ніж споживається в прямих операціях.
Найкращі операційні практики
Вимірювання та моніторинг
Ефективне управління водою вимагає комплексного вимірювання:
Інфраструктура лічильників: Встановіть субметри для градирень, систем зволоження та будь-якого іншого водоспоживаючого обладнання. Місячні або річні агрегати забезпечують більш репрезентативний WUE, ніж щоденні знімки.²²
Моніторинг у реальному часі: Відстежуйте водоспоживання разом з температурою, вологістю та ІТ-навантаженням для виявлення можливостей оптимізації.
Встановлення базової лінії: Задокументуйте поточний WUE перед впровадженням покращень для точного вимірювання впливу.
Оптимізація температури та вологості
Коригування параметрів середовища зменшує водоспоживання:
Підвищення температурних уставок: A
[Контент скорочено для перекладу]
