AI સુપરકમ્પ્યુટર્સનો શ્વાસ: લિક્વિડ કૂલ્ડ ડાટા સેન્ટરોની ભવ્ય રચના અને ઉર્જા ક્રાંતિ
કૃત્રિમ બુદ્ધિમત્તાના ઝડપી વિકાસ સાથે વિશ્વભરમાં પાવરફુલ ડાટા સેન્ટરોની માંગ વધતાં, સર્વર્સને ઠંડા રાખવા માટે હવાના સ્થાને પ્રવાહી આધારિત કૂલિંગ સિસ્ટમ્સ અનિવાર્ય બની રહી છે.
આજના આધુનિક યુગમાં જ્યારે આપણે ChatGPT કે અન્ય આર્ટિફિશિયલ ઇન્ટેલિજન્સ (artificial intelligence) મોડેલને કોઈ પ્રશ્ન પૂછીએ છીએ, ત્યારે ક્ષણવારમાં મળતો ઉત્તર હજારો માઈલ દૂર આવેલા એક વિશાળ મશીન હાઉસમાં પ્રક્રિયા પામે છે. આ સ્થળોને ડાટા સેન્ટર (data center) કહેવામાં આવે છે, જે ડિજિટલ માહિતીના સંગ્રહ, વ્યવસ્થાપન અને પ્રોસેસિંગ માટેનું ભૌતિક ઈન્ફ્રાસ્ટ્રક્ચર પૂરું પાડે છે. સામાન્ય રીતે આ કેન્દ્રોમાં હજારો સર્વર (server): કમ્પ્યુટિંગ પ્રોસેસિંગ કરતા કમ્પ્યુટર્સ અને હાઈ-સ્પીડ નેટવર્કિંગ કેબલ્સ ગોઠવાયેલા હોય છે. સૌથી મોટા ડાટા સેન્ટરો ૧,૦૦,૦૦,૦૦૦ ચોરસ ફૂટ (આશરે ૯,૩૦,૦૦૦ ચોરસ મીટર) જેટલી જગ્યામાં ફેલાયેલા હોય છે, જે સામૂહિક રીતે આખા શહેરો જેટલી વીજળીનો વપરાશ કરે છે.
આઈબીએમ (IBM) ના ઐતિહાસિક અહેવાલ મુજબ, ડાટા સેન્ટરોનો ઈતિહાસ ૧૯૪૦ના દાયકામાં યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સની લશ્કરી સિસ્ટમ ઇલેક્ટ્રિકલ ન્યુમેરિકલ ઇન્ટિગ્રેટર એન્ડ કમ્પ્યુટર (ENIAC) થી શરૂ થયો હતો. ત્યારથી લઈને આજે આર્ટિફિશિયલ ઈન્ટેલિજન્સ સુપરકમ્પ્યુટર્સના યુગ સુધી આ ટેકનોલોજીમાં ભવ્ય પરિવર્તન આવ્યું છે. AI પ્રોસેસિંગ માટે વપરાતા ગ્રાફિક્સ પ્રોસેસિંગ યુનિટ (GPU) અતિશય ગરમી ઉત્પન્ન કરે છે. પરંપરાગત એર કૂલિંગ (air cooling): પંખા દ્વારા હવા ફેંકીને ઠંડક આપવાની પદ્ધતિ હવે આ અતિ-સાંદ્ર ગરમીને દૂર કરવામાં નિષ્ફળ નીવડી રહી છે. આ સમસ્યાના ઉકેલ રૂપે લિક્વિડ કૂલિંગ (liquid cooling): પ્રવાહીના વહન દ્વારા ગરમી દૂર કરવાની ટેકનોલોજી ડાટા સેન્ટરોનું ભવિષ્ય બદલી રહી છે.
આ ક્રાંતિ કેવી રીતે કામ કરે છે તે સમજવા માટે સર્વર ટેકનોલોજી અને થર્મોડાયનામિક્સના નિયમો જાણવા જરૂરી છે. લિક્વિડ કૂલિંગ ટેકનોલોજી પ્રવાહીની ઉષ્મા વાહકતા (thermal conductivity) પર આધારિત છે. પાણી અથવા વિશિષ્ટ ડાઇઇલેક્ટ્રિક પ્રવાહી (dielectric fluid): વીજળીનું વહન ન કરતું પ્રવાહી હવાની સરખામણીમાં ગરમીને ઘણી વધુ કાર્યક્ષમતાથી શોષી શકે છે. કમ્પ્યુટિંગ ક્ષેત્રે આ તકનીક મુખ્યત્વે બે પ્રકારે વપરાય છે: ઇનડાયરેક્ટ અથવા કોલ્ડ પ્લેટ કૂલિંગ (cold plate cooling) અને ડાયરેક્ટ અથવા ઇમર્શન કૂલિંગ (immersion cooling).
કોલ્ડ પ્લેટ કૂલિંગ પદ્ધતિમાં, પ્રોસેસર અથવા ચિપસેટની ઉપર તાંબા (copper) નો એક નાનો બ્લોક મૂકવામાં આવે છે જેમાંથી પાણી અથવા કૂલન્ટ સતત વહે છે. આ પ્રવાહી ગરમી શોષી લે છે અને ટ્યુબ દ્વારા સર્વરની બહાર આવેલા હીટ એક્સચેન્જર (heat exchanger): ઉષ્માની આપ-લે કરતા સાધન સુધી લઈ જાય છે. બીજી તરફ, ઇમર્શન કૂલિંગમાં આખેઆખા સર્વર ઘટકોને વીજળીનું વહન ન કરતા વિશિષ્ટ પ્રવાહીથી ભરેલા ટેંકમાં ડુબાડી દેવામાં આવે છે. પ્રવાહી સીધું જ ગરમ ઘટકોના સંપર્કમાં આવતું હોવાથી ગરમી દૂર કરવાનો દર ખૂબ ઊંચો મળે છે. આ પદ્ધતિથી પંખાનો અવાજ શૂન્ય થઈ જાય છે અને ઉર્જાનો વ્યય ભારે પ્રમાણમાં ઘટે છે.
| પ્રકાર | ક્ષમતા / માપ | મુખ્ય ઉપયોગ | કૂલિંગ વીજ હિસ્સો |
|---|---|---|---|
| હાઇપરસકેલ (Hyperscale) | ૧૦૦ MW થી વધુ (૧,૧૩૬ સેન્ટર) | ક્લાઉડ અને AI ટ્રેનિંગ | કૂલિંગ પાછળ માત્ર ~૭% વીજળી |
| કોલોકેશન (Colocation) | વિશાળ ક્ષમતા (૪,૭૯૯ સેન્ટર) | બહુવિધ કંપનીઓ માટે ભાડે જગ્યા | ઉચ્ચ સમૂહ કાર્યક્ષમતા |
| એન્ટરપ્રાઇઝ (Enterprise) | નાનાથી મધ્યમ આંક | કંપનીનો આંતરિક ડાટા | કૂલિંગ પાછળ ૩૦% થી વધુ વીજળી |
| એજ (Edge) | ૧ થી ૧૦ MW | 5G, IoT અને ઓછી લેટન્સી | સ્થાનિક વિકેન્દ્રિત કાર્ય |
માલિકી, માપદંડ અને ઉપયોગના આધારે ડાટા સેન્ટરોને મુખ્યત્વે ચાર વર્ગોમાં વિભાજિત કરવામાં આવે છે. પ્રથમ વર્ગ એન્ટરપ્રાઇઝ (enterprise) ડાટા સેન્ટરનો છે, જે કોઈ એક કંપની પોતાની આંતરિક જરૂરિયાતો માટે ચલાવે છે. ૨૦૧૪ માં યુ.એસ.ના કુલ સર્વર ઉર્જા વપરાશમાં આ કેન્દ્રોનો હિસ્સો ૬૦% થી વધુ હતો, જે ૨૦૨૩ સુધીમાં ઘટીને માત્ર ૧૦% જેટલો રહી ગયો છે. એન્ટરપ્રાઇઝ સેન્ટરોમાં કૂલિંગ પાછળ કુલ વીજળીના ૩૦% થી વધુ ભાગ વપરાઈ જાય છે, જેના કારણે તેમની કાર્યક્ષમતા ઓછી ગણાય છે.
બીજો મહત્વનો વર્ગ કોલોકેશન (colocation) ડાટા સેન્ટરનો છે. આ સેન્ટરોમાં બિલ્ડિંગ, પાવર અને કૂલિંગ સિસ્ટમ એક માલિકની હોય છે, જ્યારે વિવિધ કંપનીઓ પોતાની સર્વર રેક ત્યાં ભાડે રાખીને ચલાવે છે. ૨૦૨૪ ના આંકડા મુજબ, વિશ્વની આશરે ૨૨% ડાટા સેન્ટર ક્ષમતા કોલોકેશન કેન્દ્રો પાસે છે, અને વિશ્વભરમાં આવા ૪,૭૯૯ કોલોકેશન સેન્ટરો કાર્યરત છે. Equinix, Switch, COPT અને Digital Realty જેવી વૈશ્વિક કંપનીઓ આ ક્ષેત્રે મોખરે છે.
ત્રીજો અને સૌથી ઝડપથી વધતો વર્ગ હાઇપરસકેલ (hyperscale) ડાટા સેન્ટરનો છે. આ ૧૦૦ મેગાવોટ (MW) થી વધુ વીજ ક્ષમતા ધરાવતા અતિ વિશાળ કેન્દ્રો છે, જે Amazon Web Services (AWS), Microsoft Azure અને Google Cloud જેવી ક્લાઉડ અને AI કંપનીઓ દ્વારા સંચાલિત થાય છે. ૨૦૨૪ ના અંત સુધીમાં વિશ્વભરમાં ૧,૧૩૬ ઓપરેશનલ હાઇપરસકેલ ડાટા સેન્ટરો હતા, જે આંકડો છેલ્લા પાંચ વર્ષમાં બમણો થયો છે. વૈશ્વિક હાઇપરસકેલ ક્ષમતામાંથી ૫૪% એકલા યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સમાં છે, અને અગ્રણી ત્રણ કંપનીઓ (AWS, Azure, Google) કુલ હાઇપરસકેલ ક્ષમતાનો ૫૯% હિસ્સો ધરાવે છે.
ચોથો પ્રકાર એજ (edge) ડાટા સેન્ટરનો છે, જે ૧ થી ૧૦ મેગાવોટના નાના અને વિકેન્દ્રિત એકમો હોય છે. આ સેન્ટરો વપરાશકર્તાઓની નજીક (જેમ કે સેલ ટાવર કે ઔદ્યોગિક વિસ્તારો) સ્થાપવામાં આવે છે જેથી 5G નેટવર્ક, સ્વાયત્ત વાહનો (autonomous vehicles) અને ઈન્ટરનેટ ઓફ થિંગ્સ (IoT) ડાટાને લિંક સેકન્ડના નાના ભાગમાં પ્રોસેસ કરી શકાય.
- ઉષ્મા ઉત્પન્ન થવીAI પ્રોસેસિંગ દરમિયાન સર્વરની GPU અને CPU ચિપ ભારે માત્રામાં ગરમી ઉત્પન્ન કરે છે.
- કોલ્ડ પ્લેટ દ્વારા શોષણચિપ પર મૂકેલી તાંબાની કોલ્ડ પ્લેટમાંથી પસાર થતું પ્રવાહી ગરમીને ત્વરિત શોષી લે છે.
- પ્રવાહીનું પરિભ્રમણપમ્પ દ્વારા ગરમ થયેલું કૂલન્ટ પ્રવાહી હોસ ટ્યુબ મારફતે સર્વર બહાર હીટ એક્સચેન્જરમાં જાય છે.
- ઠંડક અને પુનઃવપરાશચિલર અથવા કૂલિંગ ટાવર દ્વારા પ્રવાહીમાંથી ગરમી બહાર ફેંકી તેને ફરીથી સર્વરમાં મોકલવામાં આવે છે.
લોરેન્સ બર્કેલી નેશનલ લેબોરેટરીના ૨૦૨૪ ના યુ.એસ. ડાટા સેન્ટર એનર્જી યુસેજ રિપોર્ટ અનુસાર, ૨૦૨૩ માં અમેરિકાના ૭૪% કમ્પ્યુટર સર્વર્સ હાઇપરસકેલ અને કોલોકેશન કેન્દ્રોમાં ગોઠવાયેલા હતા, જે પ્રમાણ ૨૦૨૮ સુધીમાં ૮૫% સુધી પહોંચવાનો અંદાજ છે. હાઇપરસકેલ સેન્ટરો કૂલિંગ ક્ષેત્રે અતિ કાર્યક્ષમ હોય છે; ત્યાં કૂલિંગ પાછળ કુલ વીજળીના આશરે ૭% ભાગ જ વપરાય છે.
વૈશ્વિક ઉર્જા વપરાશના આંકડા અતિશય ચોંકાવનારા છે. આંતરરાષ્ટ્રીય ઉર્જા એજન્સી (IEA) ના અહેવાલ મુજબ, ૨૦૨૪ માં વિશ્વભરના ડાટા સેન્ટરોનો કુલ વીજ વપરાશ આશરે ૪૧૫ તેરાવોટ અવર્સ (TWh) નોંધાયો હતો, જે વિશ્વના કુલ વીજ વપરાશના આશરે ૧.૫% જેટલો થાય છે. છેલ્લા પાંચ વર્ષમાં આ વપરાશ પ્રતિ વર્ષ ૧૨% ના દરે વધ્યો છે. IEA નો અંદાજ છે કે ૨૦૩૦ સુધીમાં આ વપરાશ બમણો થઈને ૯૪૫ TWh સુધી પહોંચી શકે છે, જેમાં વાર્ષિક ૧૫% નો વૃદ્ધિ દર રહેશે. ૨૦૨૪ માં તમામ પ્રકારના ડાટા સેન્ટરોનો કુલ ઉર્જા વપરાશ ૬૨૦ TWh હતો, જેમાંથી ૮૦% વપરાશ માત્ર યુ.એસ., ચીન અને યુનાઇટેડ કિંગડમમાં કેન્દ્રિત હતો.
એક સામાન્ય ડાટા સેન્ટર ૧,૦૦,૦૦૦ ઘરો જેટલી વીજળી વાપરે છે, પરંતુ AI ટ્રેનિંગ માટે હાલમાં બાંધવામાં આવી રહેલા આગામી પેઢીના હાઇપરસકેલ કેમ્પસ તેનાથી ૨૦ ગણી વધુ વીજળી એટલે કે ૩,૦૦૦ મેગાવોટથી પણ વધુ પાવરની માંગ કરી રહ્યા છે. Gartner ના સંશોધન મુજબ, ૨૦૨૧ માં વિશ્વવ્યાપી ડાટા સેન્ટર ઈન્ફ્રાસ્ટ્રક્ચર પરનો ખર્ચ $૨૦૦ અબજ સુધી પહોંચ્યો હતો, જે કોવિડ-૧૯ રોગચાળા છતાં ૨૦૨૦ ની સરખામણીમાં ૬% નો વધારો દર્શાવે છે.
ડાટા સેન્ટરો આર્થિક વિકાસના મોટા એન્જિન સાબિત થઈ રહ્યા છે. PwC ના આર્થિક પ્રભાવ વિશ્લેષણ મુજબ, ૨૦૨૧ માં ડાટા સેન્ટર ઉદ્યોગે અમેરિકાના જીડીપી (GDP) માં $૪૮૬ અબજનો ફાળો આપ્યો હતો અને ૪૨ લાખથી વધુ રોજગારીઓને ટેકો આપ્યો હતો. ડાટા સેન્ટરમાં ઊભી થતી દરેક ૧ પ્રત્યક્ષ નોકરી અર્થતંત્રમાં અન્ય ૬ પરોક્ષ નોકરીઓનું સર્જન કરે છે. જોકે, તેની સામે સ્થાનિક સ્તરે પર્યાવરણીય અને ઉર્જાના દબાણને કારણે ભારે વિરોધ પણ જોવા મળી રહ્યો છે.
ડાટા સેન્ટર વોચના અહેવાલ મુજબ, મે ૨૦૨૪ થી માર્ચ ૨૦૨૫ ના સમયગાળામાં સ્થાનિક લોકો અને પર્યાવરણવિદોના વિરોધના કારણે કુલ $૬૪ અબજના ડાટા સેન્ટર પ્રોજેક્ટ્સ અટવાયા અથવા મોડા પડ્યા હતા, જેમાં ૬ પ્રોજેક્ટ સંપૂર્ણપણે રદ કરવામાં આવ્યા હતા અને ૧૦ પ્રોજેક્ટમાં વિલંબ થયો હતો. યુરોપ, યુ.એસ. અને દક્ષિણ અમેરિકામાં પાણીના અતિશય વપરાશ અને વીજળીના ભાવ વધારા અંગે નાગરિકોમાં ચિંતા વધી રહી છે.
ભારત જેવા વિકાસશીલ દેશ માટે, જ્યાં ડિજિટલ સેવાઓ અને AI નો વપરાશ ઝડપથી વધી રહ્યો છે, લિક્વિડ કૂલ્ડ હાઇપરસકેલ ડાટા સેન્ટરો ભવિષ્યની કરોડરજ્જુ બનશે. સુપરકમ્પ્યુટર્સની પ્રોસેસિંગ ક્ષમતા વધારવા માટે પરંપરાગત એર કૂલિંગ હવે મર્યાદાઓ સુધી પહોંચી ગયું છે. લિક્વિડ કૂલિંગ અપનાવવાથી ડાટા સેન્ટરોની વીજ કાર્યક્ષમતા વધશે અને પર્યાવરણીય પગચિહ્ન (carbon footprint) ઘટાડવામાં મદદ મળશે. આગામી દાયકામાં ઉર્જાના નવા સ્ત્રોતો અને પ્રવાહી કૂલિંગની અદ્યતન તકનીકો જ આર્ટિફિશિયલ ઇન્ટેલિજન્સની મહાક્રાંતિને સતત જીવંત રાખશે.
