人工智能在商业和金融交易、医疗保健、技术开发、研究等领域变得至关重要。消费者在观看视频、进行在线银行业务或进行在线搜索时，往往在不知不觉中依赖于人工智能。在这些能力的背后，全球有超过10,000个数据中心，每个数据中心都是一个巨大的仓库，包含成千上万的计算机服务器和其他用于存储、管理和处理数据的基础设施。美国目前有超过5,000个数据中心，并且每天都有新的数据中心在建设中——无论是在美国还是全球。通常，数十个数据中心聚集在靠近人们居住的地方，受到提供税收减免和其他激励政策的吸引，以及看似丰富的电力供应。
而且，数据中心确实消耗大量电力。根据电力研究所的数据，2023年美国的数据中心消耗了超过4%的全国总电力，到2030年，这一比例可能上升到9%。一个大型数据中心的电力消耗相当于50,000个家庭的用电量。
对如此多数据中心的突然需求给技术和能源行业、政府政策制定者以及普通消费者带来了巨大的挑战。麻省理工学院能源倡议（MITEI）的研究科学家和教职员工正在探索这个问题的多个方面——从电力来源到电网改进，再到提高效率的分析工具等等。数据中心迅速成为我们时代的能源问题。
意外的需求带来意外的解决方案
一些使用数据中心提供云计算和数据管理服务的公司正在宣布一些令人惊讶的措施，以提供所需的电力。提案包括在数据中心附近建设自己的小型核电站，甚至重新启动自2019年以来关闭的三里岛核电站中未受损的核反应堆。（该电厂的另一座反应堆在1979年部分熔毁，造成了美国最严重的核电事故。）为了满足人工智能的电力需求，已经导致一些计划中的煤电厂停运延迟，并提高了居民消费者的电价。满足数据中心的需求不仅给电网带来了压力，还延缓了实现清洁能源转型的进程，而这正是应对气候变化所需的。
从电力的角度来看，数据中心问题有许多方面。以下是麻省理工学院研究人员关注的一些方面，以及它们的重要性。
电力需求的前所未有的激增
“在过去，计算并不是电力的主要用户，”麻省理工学院化学工程系的MITEI主任、霍伊特·C·霍特尔教授威廉·H·格林说。“电力主要用于工业过程和家庭设备的运行，如空调和照明，最近则用于供热泵和电动汽车充电。但现在，电力在计算，尤其是在数据中心中的使用，突然成为了一个巨大的新需求，没人预料到。”
为什么缺乏前瞻性？通常，电力需求每年大约增加0.5%，公用事业公司会根据预期的新需求引入新的发电机并进行其他投资。但现在上线的数据中心正在创造前所未有的需求激增，运营商没有预见到。此外，这种新需求是持续的。数据中心必须全天候提供服务，不能中断处理大型数据集、访问存储数据和运行保持所有紧凑计算机正常运转而不至于过热的冷却设备。
此外，即使电力足够，如何将其输送到所需地点也可能是一个问题，MITEI研究科学家迪普乔提·德卡解释道。“电网是一个网络范围的操作，电网运营商可能在其他地方或全国其他地方有足够的发电能力，但电线可能没有足够的容量将电力输送到所需的地方。”因此，必须扩大传输能力——德卡表示，这个过程很慢。
还有“互联排队”的问题。有时，向现有电网添加新的用户（“负载”）或新的发电机可能会导致电网中其他用户的不稳定或其他问题。在这种情况下，新的数据中心上线可能会被延迟。足够的延迟可能导致新的负载或发电机不得不排队等待。现在，互联排队中已经有很多新的太阳能和风能项目。延迟现在大约为五年。满足新安装的数据中心的需求，同时确保其他地方的服务质量不受影响，是一个需要解决的问题。
寻找清洁电力来源
为了进一步复杂化这一挑战，许多公司——包括谷歌、微软和亚马逊等所谓的“超大规模”公司——已公开承诺在未来10年内实现净零碳排放。许多公司通过购买“电力购买协议”在实现清洁能源目标方面取得了进展。他们签署合同，从太阳能或风能设施购买电力，有时还为设施的建设提供资金。但在面对数据中心极端电力需求时，这种获取清洁能源的方法是有限的。
与此同时，电力消费激增正在延迟许多州的煤电厂关闭。可再生能源的来源根本不足以同时满足超大规模公司和现有用户，包括个人消费者。因此，传统的化石燃料发电厂（如煤电厂）比以往任何时候都更为必要。
随着超大规模公司寻找数据中心的清洁能源来源，一个选择可能是建设自己的风能和太阳能设施。但这些设施只能间歇性地发电。考虑到对不间断电力的需求，数据中心必须维护能源存储单元，而这些单元成本高昂。它们也可以依赖天然气或柴油发电机作为备用电源——但这些设备需要与捕获碳排放的设备相结合，并且需要一个附近的地点来永久处置捕获的碳。
由于这些复杂性，一些超大规模公司正在转向核能。正如格林所指出的，“核能与数据中心的需求非常匹配，因为核电站可以可靠地、大量地发电，而不会中断。”
在9月的一项备受瞩目的举动中，微软签署了一项协议，购买电力20年，前提是康斯特拉申能源在其现在关闭的三里岛核电站重新启动一座未受损的反应堆。如果获得监管机构的批准，康斯特拉申将在2028年前将该反应堆投入使用，微软将购买其生产的所有电力。亚马逊也达成了一项协议，购买另一座因财务问题而面临关闭的核电厂生产的电力。12月初，Meta发布了一项请求提案，以识别核能开发商，帮助公司满足其人工智能需求和可持续发展目标。
其他核能新闻则集中在小型模块化核反应堆（SMRs）上，这些工厂建造的模块化电站可以安装在数据中心附近，可能避免建设大型电站时常见的成本超支和延误。谷歌最近订购了一批SMRs，以产生其数据中心所需的电力。第一台将在2030年前完成，其余将在2035年前完成。
一些超大规模公司正在押注新技术。例如，谷歌正在追求下一代地热项目，微软已签署合同，从一家初创公司的聚变电厂购买电力，合同将于2028年开始——尽管聚变技术尚未得到验证。
减少电力需求
提供足够清洁电力的其他方法则侧重于提高数据中心及其所承载的操作的能效，以便在使用更少电力的情况下执行相同的计算任务。使用更快的计算机芯片和优化能耗更低的算法已经有助于减少负载和产生的热量。
另一种尝试的方法是将计算任务转移到电网中可用无碳能源的时间和地点。德卡解释道：“如果一个任务不需要立即完成，而是有一个截止日期，是否可以推迟或转移到美国其他地方或海外的数据中心，在那里电力更丰富、更便宜和/或更清洁？这种方法被称为‘碳意识计算’。”我们尚不确定每个任务是否都可以轻松转移或推迟，德卡说。“如果你考虑一个基于生成性人工智能的任务，它能否轻松分解为可以带到全国不同地方、使用清洁能源解决的较小任务，然后再合并？进行这种任务分割的成本是多少？”
当然，这种方法受到互联排队问题的限制。在另一个地区或州获取清洁能源是困难的。但正在进行的努力旨在简化监管框架，以确保关键互联能够更快、更容易地开发。
邻居们怎么办？
在所有为数据中心供电的选项中，一个主要关注点是对居民能源消费者的影响。当一个数据中心进入一个社区时，不仅存在美学问题，还有更实际的担忧。当地的电力服务会变得不可靠吗？新的输电线路将位于何处？谁将为新的发电机、现有设备的升级等支付费用？当新的制造设施或工业厂房进入一个社区时，缺点通常会被新工作的可用性所抵消。但数据中心并非如此，可能只需要几十名员工。
关于维护和升级成本的分摊和分配有标准规则。但新数据中心的存在完全改变了这种情况。因此，公用事业公司现在需要重新考虑其传统的费率结构，以免给居民带来不必要的负担，支付为容纳数据中心所需的基础设施变更。
麻省理工学院的贡献
在麻省理工学院，研究人员正在思考和探索一系列选项，以解决为数据中心提供清洁电力的问题。例如，他们正在研究将自然通风用于冷却的建筑设计、允许更好气流和电力分配的设备布局，以及基于新材料的高能效空调系统。他们正在创建新的分析工具，以评估数据中心部署对美国电力系统的影响，并寻找为这些设施提供清洁能源的最有效方法。其他工作则关注如何将小型核反应堆的输出与数据中心的需求相匹配，以及如何加快此类反应堆的建设。
麻省理工学院的团队还专注于确定最佳的备用电源和长时间存储的来源，并开发决策支持系统，以便在考虑电力和水的可用性、监管考虑，甚至是利用可能显著的废热（例如为附近建筑供暖）等因素的情况下，定位拟建的新数据中心。技术开发项目包括设计更快、更高效的计算机芯片和更节能的计算算法。
除了为许多研究项目提供领导和资金外，MITEI还充当召集者，汇集公司和利益相关者共同解决这一问题。在MITEI的2024年年度研究会议上，来自两家超大规模公司和两家设计和建造数据中心的公司的代表组成的一个小组讨论了他们面临的挑战、可能的解决方案，以及麻省理工学院的研究可以在哪些方面最有益。
随着数据中心的不断建设，以及计算需求对电力的前所未有的增加，格林表示，科学家和工程师正在竞相提供能够满足这一需求的想法、创新和技术，同时继续推动向脱碳能源系统的转型。
