چالش تأمین برق برای مراکز داده

در دنیای امروز که به‌سرعت به سمت دیجیتالی شدن پیش می‌رود، مراکز داده به ستون فقرات اقتصاد جهانی تبدیل شده‌اند. از خدمات ابری و هوش مصنوعی گرفته تا پخش آنلاین محتوا و اینترنت اشیا، تمامی این سرویس‌ها نیازمند پردازش و ذخیره‌سازی حجم عظیمی از داده‌ها هستند که مستلزم مصرف انرژی قابل توجهی است. این افزایش بی‌سابقه در تقاضای انرژی، همراه با چالش‌های ناترازی و محدودیت‌های شبکه‌های برق سنتی، مسئله تأمین پایدار و مطمئن برق برای مراکز داده، به‌ویژه مراکز داده مقیاس بزرگ را به یک بحران جدی تبدیل کرده است.

این چالش تنها به همگام‌سازی با نیازهای فزاینده انرژی محدود نمی‌شود؛ بلکه نوآوری‌هایی فراتر از منحنی تقاضا و در عین حال حفظ کارایی، پایداری و قابلیت اطمینان عملیاتی را نیز طلب می‌کند. مراکز داده، که پیش‌تر تنها مصرف‌کنندگان عمده برق به شمار می‌رفتند، اکنون باید به فعالان کلیدی در معماری انرژی آینده تبدیل شوند.

بحران انرژی و چالش ناترازی برق در بسیاری از نقاط جهان، به‌ویژه در کشورهایی مانند ایران، این موضوع را بیش از پیش حیاتی ساخته است. افزایش بی‌رویه مصرف برق توسط بخش‌های مختلف، از جمله مراکز داده، فشار زیادی بر زیرساخت‌های موجود وارد کرده و تأمین مستمر و بدون وقفه انرژی را با دشواری مواجه ساخته است. این شرایط، مدیران و طراحان مراکز داده را وادار می‌کند تا با رویکردهای نوآورانه و جامع، به دنبال راه‌حل‌هایی برای این معضل باشند.

چالش فزاینده انرژی برای مراکز داده

موسسه تحقیقاتی انرژی الکتریکی (EPRI) پیش‌بینی می‌کند که تا سال ۲۰۳۰، مراکز داده در ایالات متحده احتمالاً حدود ۹ درصد از کل برق تولیدی این کشور را مصرف خواهند کرد که این میزان بیش از دو برابر مصرف فعلی آن‌هاست. این افزایش چشمگیر، عمدتاً ناشی از پذیرش سریع فناوری‌های هوش مصنوعی (AI) است که به قدرت پردازش بسیار بالایی نیاز دارند. هر عملیات هوش مصنوعی، از آموزش مدل‌های پیچیده گرفته تا اجرای الگوریتم‌های پیشرفته، نیازمند مصرف انرژی زیادی است و این روند با توسعه مداوم و گسترش کاربردهای هوش مصنوعی تشدید خواهد شد.

تحقیقات گلدمن ساکس نیز پیش‌بینی کرده است که تقاضای انرژی مراکز داده تا سال ۲۰۳۰ تا ۱۶۰ درصد رشد خواهد کرد و هوش مصنوعی به‌عنوان یکی از اصلی‌ترین عوامل این افزایش شناخته می‌شود. این ارقام نه تنها نشان‌دهنده ابعاد وسیع مشکل هستند، بلکه بر اهمیت یافتن راه‌حل‌های پایدار و کارآمد برای جلوگیری از فروپاشی شبکه‌های برق و تبعات زیست‌محیطی تأکید می‌کنند. اگر این روند بدون تغییر باقی بماند، علاوه بر مشکلات تأمین برق، شاهد افزایش چشمگیر انتشار کربن و تشدید تغییرات اقلیمی خواهیم بود.

تجربیات فناپ زیرساخت با مشتریان سازمانی خود در ایران نیز با این پیش‌بینی‌های جهانی مطابقت دارد و نیاز مبرم به استفاده از منابع تجدیدپذیر انرژی و اجرای اقدامات نوآورانه در زمینه بهره‌وری انرژی برای مدیریت مؤثر افزایش تقاضای انرژی را برجسته می‌سازد. در واقع، ناترازی فزاینده انرژی در داخل کشور، نیاز به استقلال هرچه بیشتر مراکز داده از شبکه سراسری برق و اتکا به منابع جایگزین را به یک ضرورت تبدیل کرده است. این وضعیت، مراکز داده را وادار می‌کند تا به سمت مدل‌های خودکفایی انرژی حرکت کنند.

این وضعیت نه تنها فشار زیادی بر شبکه برق وارد می‌کند، بلکه منجر به افزایش هزینه‌های عملیاتی برای مراکز داده و کاهش پایداری خدمات می‌شود. در نتیجه، برای تضمین تداوم فعالیت‌های دیجیتال و حمایت از رشد اقتصادی، مراکز داده باید به راهکارهای هوشمندانه و پایدار روی آورند. این راهکارها باید شامل بهبود بهره‌وری در کنار تنوع‌بخشی به منابع تأمین انرژی باشد تا هم نیازهای فعلی برطرف شود و هم برای تقاضاهای آینده آماده‌سازی صورت گیرد.

تحول در رویکردهای تامین انرژی: حرکت به سوی منابع چندگانه

افزایش تقاضا برای برق و بروز بحران ناترازی مصرف انرژی در کشورها، مدیران مراکز داده را وادار کرده تا در راهبردهای تأمین انرژی خود تجدیدنظر کنند. تأمین برق برای مراکز داده نه تنها محدود به ایران نیست، بلکه از رایج‌ترین چالش‌های توسعه این زیرساخت‌ها در سراسر جهان است. این افزایش تقاضا بسیاری از مراکز را به سوی گزینش ترکیبی از راهکارها، از جمله تولید انرژی در محل (On-site Generation)، سوق داده است. چالش‌­های تأمین انرژی مورد نیاز از یک منبع واحد، عامل محرک به‌کارگیری راهبرد چندلایه‌ بوده است که انعطاف‌پذیری و پایداری بیشتری را تضمین می‌کند.

تولید انرژی در محل: تأسیسات مقیاس بزرگ برای ایجاد “جزایر ایزوله” تولید انرژی در مناطقی که دسترسی به ظرفیت کافی شبکه برق ندارند، به‌طور فزاینده‌ای از منابع تولید انرژی در محل استفاده می‌کنند. این سیستم‌های ریزشبکه (Microgrid) در بسیاری از موارد برای کار با چند منبع سوخت طراحی شده‌اند، اما بیشتر از گاز طبیعی برای دستیابی به انرژی و تاب‌آوری مورد نیاز برای مرکز داده استفاده می‌کنند. انرژی‌های تجدیدپذیر مکمل مانند خورشیدی و بادی، و همچنین سیستم‌های بازیافت حرارت (Waste Heat Recovery)، اغلب در سبد انرژی این مراکز در نظر گرفته می‌شوند تا مصرف سوخت‌های فسیلی را جبران کرده و بهره‌­وری کلی مصرف انرژی (PUE) را بهبود ببخشند. هدف نهایی، کاهش وابستگی به شبکه مرکزی و افزایش خودکفایی انرژی است.

فناوری‌های تولید انرژی با در نظر گرفتن ترکیبات سوخت‌ هیدروژنی طراحی شده‌­اند تا گذار از این مرحله را ممکن و به مصرف کمتر سوخت‌های هیدروکربنی کمک کنند. پیل‌های سوختی (Fuel Cells) که می‌توانند با گاز طبیعی یا هیدروژن کار کنند، جایگزینی مناسب برای ژنراتورهای سنتی هستند و آلایندگی بسیار کمتری دارند. این فناوری‌ها می‌توانند به‌طور پیوسته برق تولید کنند و به پایداری عملیات مراکز داده کمک شایانی نمایند. استفاده از هیدروژن سبز در آینده می‌تواند کربن‌زدایی از این بخش را تسریع بخشد.

امروزه سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی باتری (BESS) به بخش حیاتی موفقیت عملکرد مراکز داده تبدیل شده‌اند. زیرا به‌عنوان جایگزینی برای یوپی‌اس‌های سنتی، نوسان‌های ولتاژ و فرکانس را تثبیت می‌کنند و در صورت قطع برق، پشتیبانی آنی فراهم می‌آورند. این سیستم‌ها همچنین می‌توانند انرژی را در زمان‌های ارزان‌تر ذخیره کرده و در زمان‌های اوج مصرف یا افزایش قیمت برق، آن را به شبکه تزریق کنند و به مدیریت بار شبکه کمک نمایند. این قابلیت, BESS را به ابزاری قدرتمند برای افزایش تاب‌آوری و کاهش هزینه‌های عملیاتی تبدیل می‌کند.

راکتورهای کوچک ماژولار (SMRs) به‌عنوان راهکار آینده تولید انرژی در محل برای مراکز داده جذابیت ویژه‌ای دارند، زیرا قابلیت مقیاس‌پذیری، چگالی انرژی بسیار بالا و عملکرد پایدار و کم‌کربن ارائه می‌کنند. اگرچه این فناوری هنوز در مراحل اولیه توسعه و تجاری‌سازی برای کاربرد گسترده در مراکز داده است، اما پتانسیل زیادی برای تأمین انرژی پایدار و مطمئن در آینده دارد و می‌تواند مراکز داده را از محدودیت‌های شبکه برق آزاد کند. این راکتورها می‌توانند در نزدیکی مراکز داده مستقر شوند و نیازهای انرژی آن‌ها را به طور مستقل و با کارایی بالا تأمین کنند.

بسیاری از مراکز داده برای تکمیل راهکارهای تولید انرژی در محل، به‌طور مستقیم با نیروگاه‌ها و ارائه­‌دهندگان خدمات انرژی برای ایجاد منابع نوآورانه همکاری می‌کنند. این همکاری به پایداری شبکه کمک می­‌کند و هزینه‌های عملیاتی را کاهش می‌دهد. مشارکت‌ها شامل قراردادهای خرید انرژی‌­های تجدیدپذیر (PPA) هستند که به مراکز داده امکان می‌دهند برق خود را مستقیماً از پروژه‌های انرژی پاک خریداری کنند. مشارکت‌های پیشرفته‌تر برای ساخت نیروگاه‌های هم‌مکان (Co-located Power Plants) در کنار مراکز داده به‌عنوان منبع انحصاری تامین انرژی را نیز دربرمی‌گیرند. این مدل همکاری، هم برای ارائه‌دهندگان انرژی و هم برای مراکز داده سودمند است و به ایجاد یک اکوسیستم انرژی پایدارتر کمک می‌کند.

مراکز داده مقیاس بزرگ با ترکیب این رویکردها، نه ­تنها به چالش‌های فوری پاسخ می‌دهند، بلکه در ارائه استانداردهای جدید برای کارایی، پایداری و تاب‌آوری پیشگام می­‌شوند. این راهبردهای نوآورانه و چندگانه، الگویی برای مدیریت انرژی ایجاد می­‌کنند که تأثیرگذاری آن بر صنایع فقط به زیرساخت‌های دیجیتال محدود نمی­‌شود و می‌تواند به سایر بخش‌های پرمصرف انرژی نیز تعمیم یابد.

نوآوری‌ها برای بهینه‌سازی مصرف انرژی در مراکز داده

مراکز داده‌ مقیاس بزرگ در کنار تنوع‌ بخشیدن به منابع انرژی مورد نیاز، ساختار خود را برای کاهش مصرف کلی برق در شرایط ناترازی انرژی، بهینه‌سازی می‌­کنند. این بهینه‌سازی فقط به معنای استفاده از تجهیزات کم‌مصرف نیست، بلکه شامل تغییرات ساختاری و عملیاتی برای به حداکثر رساندن بهره‌وری انرژی است. راهبردها در این زمینه شامل موارد زیر هستند که هر کدام نقش مهمی در کاهش ردپای کربن و هزینه‌های عملیاتی ایفا می‌کنند:

استفاده از انرژی زمین‌گرمایی برای سیستم‌های خنک‌کننده: مراکز داده برای تهویه گرمایی که سرورهایشان تولید می‌کنند به ظرفیت خنک‌کنندگی عظیمی نیاز دارند. سیستم‌های زمین‌گرمایی می‌توانند از طریق پمپ‌های حرارتی منبع زمینی (Ground Source Heat Pumps)، خنک‌کنندگی کارآمدی ارائه دهند. این سیستم‌ها با استفاده از دمای پایدار زمین، گرمای تجهیزات را می‌زدایند و انرژی مورد نیاز برای سیستم‌های تهویه هوای سنتی را کاهش می‌دهند. این رویکرد نه تنها مصرف انرژی را به شدت کاهش می‌دهد، بلکه وابستگی به آب شیرین برای خنک‌سازی تبخیری را نیز کم می‌کند و در مناطقی با محدودیت منابع آبی، بسیار ارزشمند است.

سیستم­های خنک­سازی مستقیم با مایع (Direct Liquid Cooling – DLC): خنک­کننده مایع که به‌طور قابل توجهی در حذف گرما از سرورهای متراکم کارآمدتر است، بهترین عملکرد را در سطح تراشه دارد. برخلاف خنک‌کننده‌های هوایی که با محدودیت‌های فیزیکی انتقال حرارت مواجه هستند، خنک­کننده مایع با چرخش مستقیم در اطراف قطعات، به مراکز داده امکان می‌­دهد با تراکم بالاتر کار کنند، بی آنکه بیش از حد گرم شوند. این فناوری به طور چشمگیری فضای مورد نیاز برای سرورها را کاهش داده و امکان پیاده‌سازی زیرساخت‌های محاسباتی با چگالی فوق‌العاده بالا را فراهم می‌آورد. این سیستم‌ها به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند: خنک‌سازی تک فاز (Single-phase Immersion) و دو فاز (Two-phase Immersion) که هر کدام مزایا و چالش‌های خاص خود را دارند.

مدیریت انرژی مبتنی بر هوش مصنوعی: سیستم­های هوش مصنوعی به‌منظور شناسایی ناکارآمدی‌ها، پیش‌بینی نوسانات تقاضا و بهینه‌سازی تخصیص لحظه‌ای منابع، حجم زیادی از داده­‌های عملیاتی را تجزیه و تحلیل می‌­کنند. یکپارچه‌سازی این فناوری با سیستم‌های مدیریت ساختمان (BMS)، سیستم­‌های خنک­کننده را به شکلی پویا تنظیم می‌­کند، تعادل بار کاری را بین سرورها برقرار و حتی نیاز به تعمیر و نگهداری پیشگیرانه را پیش‌بینی می‌­کند؛ همه اینها به کاهش حداکثری اتلاف انرژی کمک می­‌کنند. با اینکه هوش مصنوعی ظرفیت قابل توجهی در بهینه‌سازی مصرف انرژی دارد، پذیرش آن در مدیریت تاسیسات هنوز در مراحل اولیه است زیرا اپراتورها باید با رویکردهای جدید سازگار ­شوند و نیاز به سرمایه‌گذاری اولیه در سیستم‌های پیچیده وجود دارد.

فناوری‌های بازیافت حرارت: این فناوری‌ها گرمای تولید شده در سرورها را جذب می­­‌کنند و آن را در خارج از تاسیسات به‌کار می‌گیرند. استفاده از این گرمای زاید برای گرمایش ساختمان‌های مجاور، تأمین آب گرم مصرفی، یا پشتیبانی از فرایندهای صنعتی به افزایش بهره‌وری انرژی در مقیاس وسیع‌تری فراتر از مرکز داده کمک می‌کند. نمونه بارز این اقدام را در جریان المپیک ۲۰۲۴ پاریس شاهد بودیم که گرمای حاصل از مراکز داده برای گرم‌کردن آب استخرهای المپیک مورد استفاده قرار گرفت. این رویکرد نه تنها به کاهش مصرف انرژی کلی کمک می‌کند، بلکه به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای نیز منجر می‌شود و مزایای اقتصادی و زیست‌محیطی قابل توجهی دارد.

مهار راهروهای گرم/ سرد: یکی از رویکرد‌های رایج و در عین حال بسیار مؤثر در کنترل اقلیم و بهبود بهره‌وری انرژی در مراکز داده، مهار راهروهای گرم/ سرد (Hot/Cold Aisle Containment) است. این روش با جداسازی فیزیکی جریان‌های هوای گرم و سرد از هم، از اختلاط هوای گرمی که از سرورها خارج می‌­شود با هوای سردی که برای خنک‌سازی استفاده می­‌شود جلوگیری می‌کند. در نتیجه، مصرف انرژی برای حفظ دماهای عملیاتی بهینه کاهش می‌یابد و کارایی سیستم‌های خنک‌کننده به حداکثر می‌رسد. این راهکار ساده اما بسیار کارآمد، می‌تواند PUE (شاخص بهره‌وری مصرف انرژی) را به طور قابل توجهی بهبود بخشد و هزینه‌های عملیاتی را کاهش دهد.

راهبردهای جایگزین مصرف آب: ارزیابی سایر منابع آب موجود مانند پساب­‌ها یا آب باران به عاملی کلیدی در انتخاب محل مراکز داده تبدیل شده است. فرایند سرمایش تبخیری (Evaporative Cooling) نقش مهمی در کاهش PUE دارد، اما تقاضای قابل توجهی برای منابع آب شیرین خانگی ایجاد می‌­کند. به همین علت، یکپارچه­‌سازی سیستم‌های پایدار بازیافت آب برای تولید آب صنعتی یا آب خاکستری (Greywater) به یکی از اولویت‌های اصلی بسیاری از مراکز داده مقیاس بزرگ تبدیل شده است. این استراتژی‌ها نه تنها به حفظ منابع آب کمک می‌کنند، بلکه پایداری عملیات مراکز داده را در مناطق خشک و نیمه‌خشک نیز تضمین می‌نمایند. فناوری‌های تصفیه پیشرفته امکان استفاده مجدد از آب‌های غیرمتعارف را فراهم می‌آورند.

با بهره‌گیری از این فناوری‌ها، مراکز داده مقیاس بزرگ هردو جنبه معادله انرژی را کنترل می‌کنند: هم مصرف را کاهش و هم تولید را افزایش می‌دهند. این رویکرد دوگانه، کلید مقابله با چالش‌های انرژی پیش رو است و به مراکز داده امکان می‌دهد تا به پایداری عملیاتی بالاتری دست یابند. طراحی سیستم‌های کم‌مصرف و پیاده‌سازی راهکارهای پیشرفته خنک‌سازی و مدیریت انرژی مبتنی بر هوش مصنوعی، همچنین تمرکز بر طراحی انعطاف‌پذیر و ماژولار مراکز داده، این امکان را می‌دهد که بهره‌وری مراکز داده در شرایط مواجهه با ناترازی افزایش یابد، هزینه‌ها پایین بیاید و از رشد بلندمدت در ارائه خدمات مرکز داده پشتیبانی کند. این تحولات نه تنها به نفع صنعت فناوری اطلاعات است، بلکه می‌تواند الگویی برای سایر صنایع پرمصرف انرژی نیز باشد و به سمت آینده‌ای پایدارتر گام بردارد.

منبع: دیجیاتو