GreenNet 2.0

Az internet ma a mindennapi élet egyik legfontosabb infrastruktúrája.. Kommunikáció, tanulás, munka, szórakozás, vásárlás és ügyintézés zajlik rajta keresztül, miközben a felhasználók többsége nem találkozik azokkal a fizikai rendszerekkel, amelyek mindezt lehetővé teszik. A háttérben szerverek, adatközpontok, hálózati berendezések és energiaellátó rendszerek dolgoznak a nap huszonnégy órájában.

Láthatatlan erőforrásigények

Az internet fejlődése az 1960-as évek végén kezdődött, azóta pedig a hálózat mérete és az általa továbbított adatmennyiség folyamatosan növekszik. A korai, egyszerű adatátviteli rendszerekhez képest ma már hatalmas mennyiségű információt tárolunk és dolgozunk fel a felhőben. A videó-streaming, a közösségi média, az online játékok, a digitális szolgáltatások és a mesterséges intelligencia mind újabb és nagyobb adatközpontokat igényelnek.

Minden internetes keresés, videó hívás, felhőben tárolt fénykép vagy mesterséges intelligenciával létrehozott válasz mögött valódi energiafelhasználás áll. Az adatközpontokban működő szerverek folyamatosan áramot fogyasztanak, működésük közben pedig jelentős hőt termelnek. Ezt a hőt el kell vezetni, különben a berendezések túlmelegednének és meghibásodnának.

A mesterséges intelligencia terjedése újabb terhelést jelent az adatközpontok számára. Az AI-modellek betanítása és működtetése nagy számítási teljesítményt igényel, ehhez pedig nagy teljesítményű processzorokra és grafikus feldolgozóegységekre van szükség. Az ilyen chipek kis területen termelnek jelentős mennyiségű hőt, ezért a hűtésük összetettebb és energiaigényesebb lehet, mint a hagyományos szervereké.

A probléma nem csupán az energiafelhasználásról szól. Az adatközpontok vízigénye is egyre fontosabb kérdéssé válik. Egy, az Európai Bizottság által ismertetett kutatási elemzés szerint az adatközpontok 2030-ra a globális villamosenergia-fogyasztás 3–4 százalékáért felelhetnek, vízfogyasztásuk pedig 2027-re elérheti az évi ötmilliárd köbmétert. Ezek előrejelzések, nem minden létesítményre egyformán érvényes tényleges értékek, de érzékeltetik a várható kihívás nagyságrendjét.

Hogyan lehet egyre több számítási kapacitást biztosítani úgy, hogy közben ne növekedjen korlátlanul az energiafelhasználás, a szén-dioxid-kibocsájtás és a vízigény? Erre a kérdésre adhat átfogó választ a GreenNet 2.0.

Új szemlélet

A GreenNet 2.0 nem egy szerver, hűtőberendezés vagy energiaforrás neve, hanem a fenntartható digitális infrastruktúra következő fejlődési szintjét jelenti: egy olyan szemléletet, amely az internet működését teljes egészében környezeti szempontból vizsgálja.

A hagyományos adatközpontok tervezésekor elsődleges szempont volt a folyamatos rendelkezésre állás, a teljesítmény, a biztonság és a bővíthetőség. A fenntarthatóság sok esetben csak később jelent meg a tervezési szempontok között. A GreenNet2.0 ezzel szemben már a kezdetektől számol az energia- és vízfelhasználással, a hőtermeléssel, az anyaghasználattal és a helyi környezeti hatásokkal.

A koncepció több területet kapcsol össze:

• hatékonyabb processzorok és szerverek alkalmazását;
• megújuló vagy alacsony kibocsátású energiaforrások használatát;
• az adatközpontok energia hatékony tervezését;
• a párologtatásos hűtés vízigényének csökkentését;
• zárt rendszerű vagy vízmentes hűtési technológiák bevezetését;
• újrahasznosított és visszanyert víz felhasználását;
• a hulladékhő fűtésre, ipari célokra vagy víztisztításra történő alkalmazását;
• mesterséges intelligenciával vezérelt energia- és vízgazdálkodást;
• a hardverek élettartamának növelését és újrahasznosítását.

A zöld internet tehát nem azt jelenti, hogy az internetnek egyáltalán nincs környezeti hatása. Jelenleg egyetlen nagy informatikai rendszer sem működik teljesen erőforrás-felhasználás nélkül. A cél inkább az, hogy a fogyasztást mérhetővé, csökkenthetővé és hatékonyabbá tegyük.

Az adatközpontok vízlábnyoma ráadásul nem kizárólag a telephelyen felhasznált vízből áll. Víz szükséges lehet a szerverek hűtéséhez, az adatközpontot ellátó villamos energia előállításához, valamint a félvezető chipek gyártásához is. A brit kormány adatközponti és AI-vízhasználatról szóló elemzése három fő területet különböztet meg:

• a közvetlen hűtési vízhasználatot,
• az energiatermeléshez kapcsolódó közvetett vízfelhasználást és
• a hardverek gyártásához kötődő vízigényt. Egy valóban fenntartható rendszernek mindhárom területet figyelembe kell vennie.

Hűtési innovációk

A hűtés az adatközpontok egyik legnagyobb műszaki és környezeti kihívása. A hagyományos rendszerek nagy mennyiségű levegőt mozgatnak, illetve sok esetben párologtatásos hűtőtornyokat használnak. A párolgás hatékonyan vonja el a hőt, de a folyamat során a víz egy része a légkörbe kerül, ezért folyamatos vízutánpótlásra van szükség.

A mesterséges intelligenciához használt nagy teljesítményű chipek esetében a levegő önmagában egyre kevésbé bizonyul elegendőnek. Ezek a processzorok kis felületen termelnek jelentős hőt, amelyet közvetlenül és gyorsan kell elvezetni. Emiatt terjednek a folyadékhűtési megoldások.

- Közvetlen chiphűtés

A direct-to-chip, vagyis közvetlen chiphűtés során a hűtőfolyadékot közvetlenül a legmelegebb alkatrészekhez vezetik. A processzorokra úgynevezett hűtőlemezek kerülnek, amelyekben folyadék kering. A folyadék felveszi a chip által termelt hőt, majd egy zárt csőhálózaton keresztül hőcserélőhöz vagy külső hűtőegységhez jut.

A legfontosabb különbség a hagyományos párologtatásos hűtéshez képest az, hogy a zárt rendszerben keringő folyadék nem fogy el minden hűtési ciklus után. A rendszert a telepítéskor feltöltik, majd a folyadék folyamatosan körbejár. Így normál működés mellett nincs szükség jelentős mennyiségű frissvíz-utánpótlásra.

A Microsoft 2024-ben ismertetett AI-munkaterhelésekre tervezett adatközponti megoldása hasonló elven működik. a rendszer zárt körben keringeti a folyadékot a szerverek és a hűtőberendezések között, így a hűtés során nincs párolgási veszteség. A "nulla vízfogyasztás" ebben az esetben a hűtési folyamatra vonatkozik, nem az épület teljes vízhasználatára.

A Microsoft újabb tájékoztatója szerint a közvetlen chiphűtésnél a folyadék közvetlenül az egyes chipekhez jut, majd zárt körben újra felhasználható. A vállalat több helyen újrahasznosított vagy visszanyert vizet, illetve esővizet is alkalmaz a frissvíz-igény csökkentésére.

A párologtatás elhagyása azonban nem feltétlenül jelenti azt, hogy a teljes rendszer energiaigénye is automatikusan csökken. Bizonyos körülmények között a mechanikus hűtés több villamos energiát igényelhet. A GreenNet 2.0 célja ezért nem pusztán a vízfogyasztás megszüntetése, hanem a víz- és energiahatékonyság együttes optimalizálása.

- Immerziós hűtés

Az immerziós, vagyis merítéses hűtés még közvetlenebb módon vezeti el a hőt. Ennél a módszernél a szervereket egy elektromosan nem vezető, dielektromos folyadékba merítik. A folyadék közvetlenül érintkezik az alkatrészekkel, ezért hatékonyan képes átvenni és elszállítani a működés során keletkező hőt.

Ennek egyik előnye, hogy nagyobb számítási sűrűséget tesz lehetővé. Több nagy teljesítményű szerver helyezhető el kisebb területen, miközben csökkenhet a hagyományos ventilátorok és légcsatornák használata. A helyszíni friss-víz igény szintén jelentősen mérsékelhető.

Az immerziós hűtésnek azonban vannak környezeti és üzemeltetési kockázatai is. A dielektromos folyadéknak hosszú távon stabilnak, biztonságosnak és az elektronikai alkatrészekkel kompatibilisnek kell lennie. Fontos kérdés az is, hogy milyen környezeti hatással jár a folyadék előállítása, szállítása, cseréje és ártalmatlanítása?

A kutatások ezért egyre inkább az alacsony globális felmelegedési potenciállal rendelkező, fluoridmentes vagy más szempontból kedvezőbb folyadékok fejlesztésére irányulnak. Egy hűtési megoldás tehát nem attól lesz automatikusan zöld, hogy kevés vizet használ. A teljes életciklust kell vizsgálni: miből készül, mennyi energia szükséges az előállításához, meddig használható, és mi történik vele a rendszer élettartamának végén?

- Körforgásos víz- és hő gazdálkodás

A hűtési technológiák korszerűsítése mellett az is fontos, hogy az adatközpontok ne ivóvízből fedezzék minden szükségletüket. Ahol a párologtatásos rendszerek továbbra is működnek, ott egyre nagyobb szerepet kaphat az ipari, vagy városi szennyvíz megfelelő tisztítás után történő felhasználása.

Az újrahasznosított víz használható hűtőtornyokban, öntözésre, ipari folyamatokban, vagy a telephely más műszaki rendszereiben. Ezzel csökkenthető a közműves ivóvíz iránti igény, különösen olyan térségekben, ahol a lakosság, a mezőgazdaság és az ipar már jelenleg is ugyanazokért a vízkészletekért versenyez.

A Microsoft tájékoztatója szerint több adatközpontjában is használnak visszanyert vagy újrahasznosított vizet, amikor ez helyben elérhető és megfelelő minőségben biztosítható. A vállalat egyik washingtoni újrahasznosítási projektje a beszámoló szerint 97 százalékkal csökkenti az ivóvíz felhasználását az adott rendszerben.

A vízgazdálkodás hatékonyságát intelligens vezérlőrendszerek is javíthatják. Az érzékelők folyamatosan figyelhetik a szerverek terhelését, a külső hőmérsékletet, a páratartalmat és a hűtőkör állapotát. Ezek alapján a rendszer automatikusan kiválaszthatja a legkisebb víz- és energiaigényű hűtési módot.

Hidegebb időben például átállhat úgynevezett free-cooling üzemmódra. Ilyenkor a külső levegő segít elvezetni a hőt, ezért kevesebb mechanikus hűtésre és párologtatásra van szükség. Melegebb időben vagy nagy szerverterhelés mellett a folyadékhűtés vehet át nagyobb szerepet.

A mesterséges intelligencia ebben a folyamatban nem csak a probléma forrása, hanem a megoldás része is lehet. A prediktív rendszerek előre jelezhetik a terhelésváltozásokat, és még azelőtt módosíthatják a hűtési beállításokat, hogy a szerverek túlmelegednének. Ez hatékonyabb lehet, mint amikor a rendszer csak a hőmérséklet emelkedése után reagál.

Hulladékhő

Az adatközpontok másik fontos mellékterméke a hulladékhő. A szerverek által termelt hőt hagyományosan elvesztegetett energiának tekintették, megfelelő infrastruktúrával azonban fűtésre, ipari folyamatokra vagy víztisztításra is felhasználható.

Az Európai Bizottság által ismertetett kutatás a 30–70 Celsius-fok közötti alacsony hőmérsékletű hulladékhő több lehetséges felhasználását vizsgálta. Ezek között szerepelt a távfűtés, a hőből történő villamosenergia-termelés, a hővel működtetett hűtés, a termikus víztisztítás, a levegőből történő vízkivonás és a közvetlen légköri szén-dioxid-leválasztás.

A kutatás szerint két különösen ígéretes terület

• a termikus víztisztítás és
• a direct air capture, vagyis a levegőből történő közvetlen szén-dioxid-kivonás.

A termikus víztisztítás során például tengervízből vagy sós talajvízből lehetne ivóvíz előállítására alkalmas vizet létrehozni.

Ez új szerepet adhat az adatközpontoknak. A létesítmény nem pusztán energiát és vizet fogyasztana, hanem a működés során keletkező hőt tisztított víz előállítására is felhasználná. Ezt a megközelítést nevezik vízpozitív működésnek: a rendszer hosszabb távon több vizet juttat vissza a közösség vagy a környezet számára, mint amennyit közvetlenül elfogyaszt.

A karbonnegatív adatközpont hasonló elven működne, csak a hulladékhő segítségével a levegőből vonna ki szén-dioxidot. Ezek azonban egyelőre kutatási és fejlesztési irányok. A hulladékhő hőmérséklete és mennyisége nem mindig illeszkedik a víztisztító vagy szén-dioxid-leválasztó rendszerek igényeihez. A tisztított víz szállítása, a berendezések mérete és a további energiaigény szintén megoldandó feladat.

Új helyszínek és új dilemmák

A fenntarthatóan működő adatközpontok kutatása olyan megoldásokat is vizsgál, amelyek ma még szokatlannak tűnnek. 

• Ilyenek például a víz alatti adatközpontok. Ezeknél a szervereket zárt, vízálló kapszulákban helyezik el a tengerben, ahol a környező víz segíthet a hő elvezetésében.

Kínában már kísérleti és fejlesztési projektek is indultak ezen a területen. A beszámolók szerint az óceáni környezet természetes hűtőközegként használható, így csökkenthető a szárazföldi hűtőrendszerek energiaigénye.

A víz alatti elhelyezés ugyanakkor új kockázatokat hoz létre. Meg kell oldani a javítást, a hardvercserét, a kommunikációs kábelek védelmét, a korrózió megelőzését és az esetleges szivárgások kezelését. A tengeri ökoszisztémákra gyakorolt hatást is vizsgálni kell, hiszen a hő leadása és a tengervíz mozgatása nem feltétlenül következmények nélküli.

• Az űrbeli adatközpontok gondolata még távolabb áll a gyakorlati alkalmazástól. Elméletben a világűr környezete új lehetőségeket kínálhatna az energiaellátásra és a hűtésre, a megvalósítás azonban rendkívül drága, technikailag összetett és anyagigényes lenne. Ezért jelenleg inkább hosszú távú kutatási irányként, nem pedig közeli megoldásként érdemes beszélni róla.

A GreenNet 2.0 egyik legfontosabb tanulsága, hogy egyetlen technológia sem oldja meg önmagában az adatközpontok fenntarthatósági problémáit. A víz alatti elhelyezés csökkentheti a szárazföldi vízigényt, de megnehezítheti a karbantartást. Az immerziós hűtés csökkentheti a párolgást, de új folyadékok életciklus-kockázatait vezetheti be. A zárt rendszerű hűtés víztakarékos lehet, miközben bizonyos esetekben növelheti a villamosenergia-felhasználást.

Ezért nem egyetlen mutatót kell figyelni. Az energiaigény, a vízfelhasználás, a karbonkibocsátás, az anyaghasználat, az elektronikai hulladék, a helyi ökoszisztémák és a társadalmi hatások együttes vizsgálatára van szükség.

Különösen fontos az adatközpont helyszínének megválasztása. Egy vízhiánnyal küzdő térségben ugyanaz a technológia más megítélés alá eshet, mint egy hűvös, vízben, gazdag régióban. A döntésnél figyelembe kell venni az energiaforrásokat, a helyi vízkészleteket, a hálózati kapacitást, a hulladékhő lehetséges felhasználóit és a közösség érdekeit is.

A fenntarthatóan működő internet következő szintje

A GreenNet 2.0 olyan jövőt vázol fel, amelyben az internet infrastruktúrája nem egyszerűen kevesebb erőforrást fogyaszt, hanem a működéséből származó melléktermékeket is igyekszik hasznosítani.

Ehhez szükség van hatékonyabb chipekre, alacsonyabb vízigényű hűtésre, megújuló energiaforrásokra, újrahasznosított vízre, intelligens vezérlésre és a hulladékhő jobb felhasználására. Ugyanilyen fontos azonban az átláthatóság is. A szolgáltatóknak pontosan meg kell mutatniuk, mennyi energiát és vizet használnak, milyen forrásból származik az energia, és milyen környezeti hatással jár az infrastruktúra teljes életciklusa. ld: EUs elvárások!

A fenntarthatóságot nem lehet kizárólag vállalati ígéretekre építeni, ahogy ezt az Európai Unió EmpCo irányelve is tartalmazza. Szükség van összehasonlítható mérési módszerekre, helyszínalapú adatokra és olyan szabályozásra, amely figyelembe veszi a helyi vízkészleteket és közösségi érdekeket is.

A Nemzetközi Energiaügynökség Energy and AI című jelentése szintén arra hívja fel a figyelmet, hogy a mesterséges intelligencia és az energiaellátás kérdése szorosan összekapcsolódik. Az AI fejlődéséhez villamosenergiára van szükség, ugyanakkor maga a technológia az energiaipar működésének hatékonyabbá tételében is segítséget nyújthat.

A digitális fejlődés és a környezetvédelem ezért nem feltétlenül egymással ellentétes célok. A kérdés az, hogy az új adatközpontokat a régi logika szerint, kizárólag nagyobb teljesítményre tervezik-e, vagy már kezdettől fogva egy összekapcsolt energia-, víz- és anyagrendszer részeként kezelik őket?

A GreenNet 2.0 egy olyan szemléletű internetet jelent, amelynek működésére nem a láthatatlanság, hanem a mérhetőség és a felelősség jellemző.

A jövő zöld adatközpontja nem feltétlenül az lesz, amely egyáltalán nem fogyaszt vizet vagy energiát, hiszen ez jelenleg nem reális cél. Inkább az, amely ugyanazt az erőforrást többször és hatékonyabban használja fel, a keletkező hőt nem hulladékként kezeli, és működése közben egyre több hasznos értéket állít elő.

A digitális világ fejlődése így nem csak gyorsabb és intelligensebb, hanem fenntarthatóbb is lehet. A kérdés nem az, hogy szükségünk van-e adatközpontokra, hanem az, képesek vagyunk-e úgy megépíteni őket, hogy a digitális jövő ne a természeti erőforrások rovására valósuljon meg?