Künstliche Intelligenz ist in Geschäfts- und Finanzgeschäften, in der medizinischen Versorgung, in der Technologieentwicklung, in der Forschung und vielem mehr unverzichtbar geworden. Ohne es zu merken, verlassen sich Verbraucher auf KI, wenn sie ein Video streamen, Online-Banking betreiben oder eine Online-Suche durchführen. Hinter diesen Fähigkeiten stehen weltweit mehr als 10.000 Rechenzentren, von denen jedes ein riesiges Lager mit Tausenden von Computerservern und anderer Infrastruktur zum Speichern, Verwalten und Verarbeiten von Daten ist. Mittlerweile gibt es in den Vereinigten Staaten über 5.000 Rechenzentren und jeden Tag werden neue gebaut – in den USA und weltweit. Oftmals drängen sich Dutzende direkt in der Nähe der Wohnorte der Menschen zusammen, angezogen von der Politik, die Steuererleichterungen und andere Anreize bietet, sowie von scheinbar reichlich vorhandenem Strom.
Und Rechenzentren verbrauchen tatsächlich riesige Mengen Strom. Laut dem Electric Power Research Institute verbrauchten US-Rechenzentren im Jahr 2023 mehr als 4 Prozent des gesamten Stroms des Landes, und bis 2030 könnte dieser Anteil auf 9 Prozent ansteigen. Ein einzelnes großes Rechenzentrum kann so viel Strom verbrauchen wie 50.000 Haushalte.
Der plötzliche Bedarf an so vielen Rechenzentren stellt eine enorme Herausforderung für die Technologie- und Energiebranche, die politischen Entscheidungsträger der Regierung und die alltäglichen Verbraucher dar. Forscher und Fakultätsmitglieder der MIT Energy Initiative (MITEI) erforschen mehrere Facetten dieses Problems – von der Strombeschaffung über die Netzverbesserung bis hin zu Analysetools, die die Effizienz steigern, und mehr. Rechenzentren sind schnell zum Energieproblem unserer Zeit geworden.
Unerwartete Nachfrage bringt unerwartete Lösungen
Mehrere Unternehmen, die Rechenzentren zur Bereitstellung von Cloud-Computing- und Datenverwaltungsdiensten nutzen, kündigen einige überraschende Schritte zur Bereitstellung all dieser Elektrizität an. Zu den Vorschlägen gehören der Bau eigener kleiner Kernkraftwerke in der Nähe ihrer Rechenzentren und sogar die Wiederinbetriebnahme eines der unbeschädigten Kernreaktoren auf Three Mile Island, der seit 2019 geschlossen ist. (Ein anderer Reaktor in diesem Kraftwerk schmolz 1979 teilweise ab, was das Schlimmste im Land verursachte Die Notwendigkeit, KI mit Strom zu versorgen, führt bereits zu Verzögerungen bei der geplanten Abschaltung einiger Kohlekraftwerke und zu steigenden Preisen für Privatkunden. Die Erfüllung der Anforderungen von Rechenzentren belastet nicht nur die Stromnetze, sondern behindert auch den Übergang zu sauberer Energie, der zur Eindämmung des Klimawandels erforderlich ist.
Aus stromtechnischer Sicht gibt es viele Aspekte des Rechenzentrumsproblems. Hier sind einige, auf die sich MIT-Forscher konzentrieren, und warum sie wichtig sind.
Ein beispielloser Anstieg der Stromnachfrage
„In der Vergangenheit war die Datenverarbeitung kein bedeutender Stromverbraucher“, sagt William H. Green, Direktor des MITEI und Hoyt C. Hottel-Professor am MIT Department of Chemical Engineering. „Strom wurde für den Betrieb industrieller Prozesse und den Betrieb von Haushaltsgeräten wie Klimaanlagen und Lampen verwendet, und in jüngerer Zeit auch für den Betrieb von Wärmepumpen und das Laden von Elektroautos. Doch plötzlich wird der Stromverbrauch für Computer im Allgemeinen und für Rechenzentren im Besonderen zu einem gigantischen neuen Bedarf, mit dem niemand gerechnet hat.“
Warum fehlt es an Weitsicht? Normalerweise steigt die Nachfrage nach elektrischer Energie um etwa ein halbes Prozent pro Jahr, und die Energieversorger bauen neue Stromerzeuger ein und tätigen bei Bedarf weitere Investitionen, um die erwartete neue Nachfrage zu decken. Aber die jetzt in Betrieb genommenen Rechenzentren führen zu beispiellosen Nachfragesprüngen, die die Betreiber nicht vorhergesehen haben. Darüber hinaus ist die neue Nachfrage konstant. Es ist von entscheidender Bedeutung, dass ein Rechenzentrum seine Dienste jeden Tag rund um die Uhr bereitstellt. Es darf keine Unterbrechungen bei der Verarbeitung großer Datenmengen, dem Zugriff auf gespeicherte Daten und dem Betrieb der Kühlgeräte geben, die erforderlich sind, damit alle überfüllten Computer ohne Überhitzung arbeiten.
Darüber hinaus kann es ein Problem sein, selbst wenn ausreichend Strom erzeugt wird, ihn dorthin zu bringen, wo er benötigt wird, erklärt Deepjyoti Deka, ein MITEI-Forscher. „Ein Netz ist ein netzweiter Betrieb, und der Netzbetreiber verfügt möglicherweise an einem anderen Ort oder sogar anderswo im Land über ausreichende Stromerzeugung, aber die Leitungen verfügen möglicherweise nicht über ausreichende Kapazität, um den Strom dorthin zu transportieren, wo er benötigt wird.“ Daher müssen die Übertragungskapazitäten ausgebaut werden – und das sei ein langsamer Prozess, sagt Deka.
Dann gibt es noch die „Verbindungswarteschlange“. Manchmal kann das Hinzufügen eines neuen Benutzers (einer „Last“) oder eines neuen Generators zu einem bestehenden Netz zu Instabilitäten oder anderen Problemen für alle anderen bereits am Netz angeschlossenen Personen führen. In diesem Fall kann es zu Verzögerungen bei der Inbetriebnahme eines neuen Rechenzentrums kommen. Ausreichende Verzögerungen können dazu führen, dass neue Lasten oder Generatoren in der Schlange stehen und warten müssen, bis sie an der Reihe sind. Derzeit ist ein Großteil der Verbindungswarteschlange bereits mit neuen Solar- und Windprojekten gefüllt. Die Verzögerung beträgt nun etwa fünf Jahre. Ein Problem, das angegangen werden muss, besteht darin, den Bedarf neu installierter Rechenzentren zu decken und gleichzeitig sicherzustellen, dass die Servicequalität anderswo nicht beeinträchtigt wird.
Suche nach sauberen Stromquellen
Um die Herausforderung noch weiter zu erschweren, haben sich viele Unternehmen – darunter sogenannte „Hyperscaler“ wie Google, Microsoft und Amazon – öffentlich dazu verpflichtet, innerhalb der nächsten 10 Jahre Netto-CO2-Emissionen von Null zu erreichen. Viele haben durch den Abschluss von „Stromabnahmeverträgen“ Fortschritte bei der Verwirklichung ihrer Ziele für saubere Energie gemacht. Sie unterzeichnen einen Vertrag über den Kauf von Strom beispielsweise von einer Solar- oder Windkraftanlage und stellen manchmal auch die Finanzierung für den Bau der Anlage bereit. Doch angesichts des extremen Strombedarfs eines Rechenzentrums stößt dieser Ansatz für den Zugang zu sauberer Energie an seine Grenzen.
Unterdessen verzögert der steigende Stromverbrauch in vielen Bundesstaaten die Schließung von Kohlekraftwerken. Es gibt einfach nicht genügend erneuerbare Energiequellen, um sowohl die Hyperscaler als auch die bestehenden Nutzer, einschließlich einzelner Verbraucher, zu versorgen. Daher werden konventionelle Anlagen, die mit fossilen Brennstoffen wie Kohle betrieben werden, mehr denn je benötigt.
Während die Hyperscaler nach sauberen Energiequellen für ihre Rechenzentren suchen, könnte eine Option darin bestehen, eigene Wind- und Solaranlagen zu bauen. Allerdings würden solche Anlagen nur zeitweise Strom erzeugen. Da eine unterbrechungsfreie Stromversorgung erforderlich ist, müsste das Rechenzentrum teure Energiespeicher vorhalten. Sie könnten stattdessen auf Erdgas- oder Dieselgeneratoren zur Notstromversorgung zurückgreifen – diese Geräte müssten jedoch mit Geräten zum Auffangen der Kohlenstoffemissionen sowie einem nahegelegenen Standort zur dauerhaften Entsorgung des abgeschiedenen Kohlenstoffs gekoppelt werden.
Aufgrund dieser Komplikationen wenden sich mehrere Hyperscaler der Kernenergie zu. Wie Green feststellt: „Kernenergie ist gut auf den Bedarf von Rechenzentren abgestimmt, da Kernkraftwerke zuverlässig und ohne Unterbrechung viel Strom erzeugen können.“
In einem vielbeachteten Schritt unterzeichnete Microsoft im September einen Vertrag über den Kauf von Strom für 20 Jahre, nachdem Constellation Energy einen der unbeschädigten Reaktoren seines inzwischen geschlossenen Kernkraftwerks auf Three Mile Island, dem Ort des vielbeachteten Atomunfalls im Jahr, wieder in Betrieb genommen hat 1979. Wenn die Aufsichtsbehörden dies genehmigen, wird Constellation diesen Reaktor bis 2028 ans Netz bringen, wobei Microsoft den gesamten Strom, den er produziert, kauft. Amazon einigte sich außerdem auf den Kauf von Strom aus einem anderen Kernkraftwerk, dem aufgrund finanzieller Schwierigkeiten die Schließung drohte. Und Anfang Dezember veröffentlichte Meta eine Ausschreibung, um Kernenergieentwickler zu identifizieren, die dem Unternehmen dabei helfen sollen, seinen KI-Bedarf und seine Nachhaltigkeitsziele zu erfüllen.
Andere nukleare Nachrichten konzentrieren sich auf kleine modulare Kernreaktoren (SMRs), fabrikgefertigte, modulare Kraftwerke, die in der Nähe von Rechenzentren installiert werden könnten, möglicherweise ohne die Kostenüberschreitungen und Verzögerungen, die beim Bau großer Anlagen oft auftreten. Google hat kürzlich eine Flotte von SMRs bestellt, um den für seine Rechenzentren benötigten Strom zu erzeugen. Der erste soll bis 2030 und der Rest bis 2035 fertiggestellt sein.
Einige Hyperscaler setzen auf neue Technologien. Google verfolgt beispielsweise geothermische Projekte der nächsten Generation und Microsoft hat einen Vertrag über den Kauf von Strom aus dem Fusionskraftwerk eines Startups ab 2028 unterzeichnet – obwohl die Fusionstechnologie noch nicht demonstriert wurde.
Reduzierung des Strombedarfs
Andere Ansätze zur Bereitstellung ausreichend sauberen Stroms konzentrieren sich darauf, das Rechenzentrum und die darin untergebrachten Abläufe energieeffizienter zu gestalten, um dieselben Rechenaufgaben mit weniger Strom ausführen zu können. Der Einsatz schnellerer Computerchips und die Optimierung von Algorithmen, die weniger Energie verbrauchen, tragen bereits dazu bei, die Belastung und damit auch die entstehende Wärme zu reduzieren.
Eine andere Idee, die derzeit ausprobiert wird, besteht darin, Rechenaufgaben an Zeiten und Orte zu verlagern, an denen kohlenstofffreie Energie im Netz verfügbar ist. Deka erklärt: „Wenn eine Aufgabe nicht sofort, sondern bis zu einer bestimmten Frist erledigt werden muss, kann sie dann verzögert oder in ein Rechenzentrum anderswo in den USA oder im Ausland verlegt werden, wo Strom reichlicher, billiger und/oder verfügbar ist? Reiniger? Dieser Ansatz ist als „Carbon-Aware Computing“ bekannt.“ „Wir sind uns noch nicht sicher, ob jede Aufgabe problemlos verschoben oder verzögert werden kann“, sagt Deka. „Wenn Sie an eine generative KI-basierte Aufgabe denken, kann diese dann leicht in kleine Aufgaben aufgeteilt werden, die in verschiedene Teile des Landes gebracht, mit sauberer Energie gelöst und dann wieder zusammengeführt werden können? Wie hoch sind die Kosten für eine solche Aufgabenteilung?“
Dieser Ansatz wird natürlich durch das Problem der Verbindungswarteschlange begrenzt. In einer anderen Region oder einem anderen Bundesstaat ist es schwierig, Zugang zu sauberer Energie zu erhalten. Es gibt jedoch Bestrebungen, den Regulierungsrahmen zu lockern, um sicherzustellen, dass kritische Verbindungsleitungen schneller und einfacher entwickelt werden können.
Was ist mit den Nachbarn?
Ein Hauptanliegen bei allen Optionen zur Stromversorgung von Rechenzentren sind die Auswirkungen auf die privaten Energieverbraucher. Wenn ein Rechenzentrum in eine Nachbarschaft kommt, gibt es nicht nur ästhetische Bedenken, sondern auch praktischere Bedenken. Wird die örtliche Stromversorgung weniger zuverlässig? Wo werden die neuen Übertragungsleitungen verlegt? Und wer wird die neuen Generatoren, die Aufrüstung vorhandener Geräte usw. bezahlen? Wenn in einer Nachbarschaft neue Produktionsstätten oder Industrieanlagen errichtet werden, werden die Nachteile im Allgemeinen durch die Verfügbarkeit neuer Arbeitsplätze ausgeglichen. Nicht so bei einem Rechenzentrum, das möglicherweise nur ein paar Dutzend Mitarbeiter benötigt.
Es gibt Standardregeln für die Aufteilung und Zuordnung der Wartungs- und Upgradekosten. Die Situation ändert sich jedoch völlig durch die Anwesenheit eines neuen Rechenzentrums. Daher müssen die Versorgungsunternehmen nun ihre traditionellen Tarifstrukturen überdenken, um den Bewohnern keine übermäßige Belastung durch die Kosten für die Infrastrukturänderungen aufzuerlegen, die für die Unterbringung von Rechenzentren erforderlich sind.
Beiträge des MIT
Am MIT denken Forscher über eine Reihe von Optionen nach und erforschen sie, um das Problem der Bereitstellung sauberer Energie für Rechenzentren anzugehen. Sie untersuchen beispielsweise architektonische Entwürfe, die natürliche Belüftung zur Erleichterung der Kühlung nutzen, Gerätelayouts, die eine bessere Luftzirkulation und Stromverteilung ermöglichen, sowie hoch energieeffiziente Klimaanlagen auf Basis neuartiger Materialien. Sie entwickeln neue Analysetools, um die Auswirkungen des Einsatzes von Rechenzentren auf das US-Stromnetz zu bewerten und die effizientesten Wege zu finden, die Einrichtungen mit sauberer Energie zu versorgen. In anderen Arbeiten geht es darum, die Leistung kleiner Kernreaktoren an die Bedürfnisse eines Rechenzentrums anzupassen und den Bau solcher Reaktoren zu beschleunigen.
Die MIT-Teams konzentrieren sich auch auf die Ermittlung der besten Quellen für Notstrom und Langzeitspeicherung sowie auf die Entwicklung von Entscheidungsunterstützungssystemen für die Lokalisierung geplanter neuer Rechenzentren unter Berücksichtigung der Verfügbarkeit von Strom und Wasser sowie regulatorischer Überlegungen und sogar des Potenzials zur Nutzung der teilweise erheblichen Abwärme, beispielsweise zur Beheizung umliegender Gebäude. Zu den Technologieentwicklungsprojekten gehört die Entwicklung schnellerer, effizienterer Computerchips und energieeffizienterer Rechenalgorithmen.
Das MITEI übernimmt nicht nur die Führung und Finanzierung zahlreicher Forschungsprojekte, sondern fungiert auch als Veranstalter und bringt Unternehmen und Interessenvertreter zusammen, um sich mit diesem Thema auseinanderzusetzen. Auf der MITEI-Jahresforschungskonferenz 2024 diskutierte eine Gruppe von Vertretern zweier Hyperscaler und zweier Unternehmen, die gemeinsam Rechenzentren entwerfen und bauen, über ihre Herausforderungen, mögliche Lösungen und darüber, wo MIT-Forschung den größten Nutzen bringen könnte.
Während weiterhin Rechenzentren gebaut werden und die Computertechnologie weiterhin zu einem beispiellosen Anstieg der Stromnachfrage führt, befinden sich Wissenschaftler und Ingenieure laut Green in einem Wettlauf um die Bereitstellung von Ideen, Innovationen und Technologien, die diesen Bedarf decken können, und zwar gleichzeitig Es wird Zeit, den Übergang zu einem dekarbonisierten Energiesystem weiter voranzutreiben.
