Историю человеческого прогресса можно упростить до истории увеличения использования энергии. Мы используем энергию для создания порядка, как с точки зрения биологии, так и с точки зрения общества. Излишки энергии позволяют создавать все формы богатства, которые, в свою очередь, создают новые технологии для эффективного использования еще большего количества энергии. Эта истина вдохновила такие известные концепции, как шкала Кардашева, которая измеряет цивилизации по их способности использовать энергетические ресурсы для полезных целей.
Вычисления являются естественным продолжением этого начинания. Современные цифровые технологии преобразуют все большее количество электроэнергии в передовые процессы создания стоимости. Последний всплеск спроса на вычисления связан, в частности, с двумя технологиями: майнингом биткойнов и, в последнее время, с высокопроизводительными вычислениями («HPC»), в частности с использованием графических процессоров («GPU») для искусственного интеллекта. Стремительный рост потребления энергии этими технологиями поднял множество вопросов: какое влияние эти энергоемкие технологии окажут на наши энергетические системы? Учитывая их взаимное ненасытное использование энергии, какое взаимодействие они будут иметь друг с другом? Что эти события означают для человечества?
Мы исследуем основные характеристики этих технологий и то, как они предлагают альтернативные рынки для избыточной энергии, которые фактически могут повысить эффективность энергетических систем. Основываясь на этом исследовании, мы также утверждаем, что майнинг биткойнов и высокопроизводительные вычисления дополняют друг друга, а не конкурируют. Как мы увидим, их соответствующие компромиссы предлагают симбиотическую способность максимизировать ценность, создаваемую энергетическими ресурсами, что, в свою очередь, приносит пользу обществу в целом.
Короче говоря, мы выступаем за вычислительный максимализм.
Энергия
Современные технологии зависят от энергии, преобразуемой из широкого спектра источников в электричество, и это сопряжено с определенными проблемами и компромиссами. Основным из которых является ограниченная мобильность.
Это связано с несколькими простыми фактами. Электричество требует сети, по сути, массивной серии цепей, которые передают энергию в реальном времени. Сеть должна оставаться в равновесии, а это означает, что генерация должна примерно равняться спросу в любой момент времени.
Это сложно по двум причинам:
Во-первых, энергетические ресурсы не всегда удобно распределяются, их разработка требует длительного времени и имеет различную степень диспетчеризации.
Во-вторых, как передача, так и хранение являются дорогостоящими, требуют одинаково длительного времени выполнения и имеют присущую им неэффективность. По оценкам, 8-15% электроэнергии теряется из-за потерь при передаче и распределении к тому времени, когда она достигает местных потребителей, и эта цифра еще выше для долгосрочного хранения аккумуляторов.
В результате всегда будет дешевле и эффективнее потреблять произведенную электроэнергию непосредственно у источника, чем транспортировать ее во времени или пространстве. Таким образом, наиболее эффективным решением является не более широкая и неэффективная транспортировка электроэнергии туда, где она может быть использована, а перенос вариантов использования в сторону электричества. Вычисления — идеальный вариант использования такого избыточного электричества, поскольку они энергоемки, в значительной степени портативны и масштабируемы; нам еще предстоит найти предел нашему спросу на вычисления. Между тем, ограничения «мясного пространства» являются сильными ограничивающими факторами для традиционных форм поглотителей энергии, таких как выплавка и производство алюминия.
Майнинг биткойнов, в частности, стал идеальным вариантом использования местных излишков электроэнергии, обеспечивающих управляемую и приносящую доход нагрузку для балансировки сети. В последнее время спрос на высокопроизводительные вычисления, в частности на графические процессоры, также оказывает значительное влияние на использование энергии. Многие ожидают, что эти две технологии будут конкурировать за одни и те же энергетические ресурсы, но по мере того, как мы исследуем характеристики каждой, потенциальный симбиоз станет самоочевидным.
Биткойн-майнинг
Майнинг биткойнов можно рассматривать как несанкционированный источник энергии. Механизм консенсуса «доказательство работы» Биткойна представляет собой доказательство энергоемких вычислений. Майнеры должны выполнять эти энергоемкие вычисления для создания новых блоков транзакций, тем самым зарабатывая биткойны в качестве вознаграждения. Именно это доказательство работы обеспечивает гарантии глобальных расчетов децентрализованным и не требующим разрешения способом.
На практике это выглядит как миллионы компьютеров (в наши дни это специализированные интегральные схемы или «ASIC»), работающих в базовых центрах обработки данных по всему миру. Одна из прекрасных особенностей майнинга биткойнов — это отсутствие разрешений; любой человек в любой точке мира может подключить ASIC. По сути, Биткойн позволяет майнерам по всему миру участвовать в мировом энергетическом рынке; Тот, у кого самая низкая стоимость электроэнергии, имеет самую высокую прибыль.
Эта глобальная децентрализованная сеть является одной из причин, почему внедрение Биткойна неуклонно продолжается, поскольку люди ищут новую валютно-финансовую систему, которая активна 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, не имеет единой точки отказа и обходит порочные стимулы политически захваченных монополий центральных банков. .
Майнинг биткойнов отличается следующими характеристиками относительно инфраструктуры GPU/HPC:
Нет клиентов
Нет привлечения клиентов
Без поддержки
Высокая прерываемость
Низкая эксплуатационная сложность
Низкие требования к подключению (менее 100 МБ/с)
Низкая маржа (как правило)
высокопроизводительные вычисления
Графические процессоры для центров обработки данных — это новейшая форма HPC, спрос на которую резко возрос за последние два года из-за быстро растущего интереса к прорывным решениям в области искусственного интеллекта и машинного обучения, которые на них основаны. Эти технологии открыли совершенно новые категории цифровых операций и функций, которые ранее были невозможны, а возможные варианты использования только начинают изучаться. Внезапный взрыв интереса к этим технологиям быстро сделал NVIDIA, ведущего производителя базовых графических процессоров, самой дорогой компанией в мире.
Первоначально этот внезапный всплеск спроса создал серьезную проблему в производстве достаточного количества самих графических процессоров. Однако это было временным явлением, и со временем оно продолжает смягчаться за счет увеличения производства, при этом внимание быстро переключается на новое узкое место: место в стойке центра обработки данных с дешевой электроэнергией. Результатом стал взрывной рост числа новых построений центров обработки данных, где можно получить большое количество стабильной электроэнергии. Это привело к тому, что инфраструктура графических процессоров стала конкурировать с майнингом биткойнов во многих регионах с избытком местной электроэнергии.
По сравнению с майнингом биткойнов, GPU/HPC отличаются следующими характеристиками:
Клиенты
Привлечение клиентов
Служба поддержки
Низкая прерываемость
Высокая эксплуатационная сложность
Высокие требования к подключению (10–100 ГБ)
Высокая маржа (как правило)
Бесплатный конкурс
Спрос на технологии Биткойн и AI/ML резко возрос за последнее десятилетие, что является свидетельством их полезности для общества. Этот спрос привел к увеличению соответствующих вычислительных ресурсов.
Чтобы снизить эксплуатационные расходы, оба рынка стремятся использовать избыточную электроэнергию, поскольку она, как правило, дешевле. Это, естественно, устраняет некоторые проблемы неэффективности сети, обсуждавшиеся выше, но это означает, что строители и операторы центров обработки данных будут задаваться вопросом, какую форму вычислений поддерживать и в какую форму инвестировать при том же объеме доступной мощности.
Обе формы вычислений являются энергоемкими и относительно не зависят от местоположения (за исключением юридических или юрисдикционных соображений, выходящих за рамки этой статьи), что приводит к кажущейся конкуренции, но на самом деле они могут быть весьма взаимодополняющими инструментами для максимизации использования и получения прибыли от такого избытка или бесполезности. электричество.
Рабочие нагрузки графического процессора имеют более высокую операционную сложность и низкую прерываемость, а также более высокие первоначальные капиталовложения. Это делает его плохим выбором для использования временных излишков электроэнергии, таких как, например, период пикового производства энергии солнечными панелями. В отличие от майнинга биткойнов, у графических процессоров есть клиенты, которые обычно чувствительны к таким вопросам, как время безотказной работы и доступность. Существуют исключения, такие как спотовые экземпляры и платформы, которые могут выполнять аварийное переключение из таких экземпляров, но, вообще говоря, из-за существования клиента устойчивость к прерываниям инфраструктуры графического процессора никогда не будет соответствовать устойчивости майнинга биткойнов. В сочетании с более высокими капитальными затратами и сложностью в таких ситуациях мы можем ожидать, что майнинг биткойнов будет продолжать расти и доминировать в качестве очень гибкой, управляемой нагрузки в сети.
С другой стороны, постоянный избыток электроэнергии, такой как в значительной степени фиксированная разница между базовой генерирующей мощностью гидроэлектростанций или атомных объектов и окружающим их потреблением, является идеальной возможностью для инфраструктуры графических процессоров сократить разрыв и установить новый базовый уровень потребления и равновесия. Эти ситуации благоприятствуют низкой прерываемости инфраструктуры графических процессоров и оправдывают дополнительные расходы и сложность эксплуатации, необходимые для обеспечения существенно более высоких доходов. Пока доступна вспомогательная полоса пропускания для облегчения рабочих нагрузок графического процессора (по крайней мере 10 ГБ/с, в идеале 100 ГБ/с), эти сайты всегда будут предоставлять больше возможностей для получения прибыли, чем если бы они были выделены исключительно для майнинга биткойнов.
Стратегии гибридного центра обработки данных
Существуют также стратегии, которые могут использовать обе технологии в тандеме для максимизации доходов и возврата инвестиций.
Во-первых, майнинг биткойнов можно использовать в качестве начальной загрузки энергетических ресурсов, прежде чем сайт станет пригодным для высокопроизводительных вычислений. Примеры включают: (1) использование полупортативных модульных центров обработки данных для майнинга биткойнов для монетизации электроэнергии, в то время как остальная инфраструктура для центра обработки данных HPC (резервные линии электропитания/интернета, здания, резервные энергетические системы и т. д.) строится; или (2) создание новых энергоресурсов с помощью майнинга биткойнов, некоторые из которых в конечном итоге могут быть использованы для высокопроизводительных вычислений. Фактически, недавно объявленную сделку Core Scientific с CoreWeave можно рассматривать как пример того, что происходит в реальной жизни, поскольку майнинг биткойнов привел к разработке большой оболочки подстанции и центра обработки данных, которые в конечном итоге будут использоваться для HPC.
Вторая, более продвинутая стратегия заключается в объединении рабочих нагрузок HPC и майнинга биткойнов в тандеме, используя майнинг биткойнов в качестве противовеса для балансировки колебаний энергопотребления рабочей нагрузки HPC. Хотя нагрузка HPC требует надежного питания, «рабочие нагрузки», на которых размещаются производственные модели AI/ML, могут колебаться в зависимости от уровня использования пользователями в реальном времени, что приводит к типичным циклам высокой активности и энергопотребления, а также низкой активности и более низкому энергопотреблению. На сегодняшний день ценность таких высокопроизводительных вычислений существенно перевешивает любую неэффективность из-за колебаний энергопотребления, но очень гибкий и прерываемый характер майнинга биткойнов может быть использован для обеспечения стабильного энергопотребления и, в свою очередь, снижения эффективных показателей мощности, а также для обеспечения дополнительного дохода. для центра обработки данных в целом. Некоторые описывают эту стратегию как «центр обработки данных кефали» с искусственным интеллектом спереди и биткойном сзади. Хотя это еще рано, этот подход обещает использовать лучшее из HPC и майнинга биткойнов, чтобы предложить максимально эффективное развертывание центров обработки данных, возможное с использованием современных технологий.
Последствия для отрасли
До недавнего времени в индустрии центров обработки данных доминировали провайдеры колокейшн-услуг. Эти провайдеры строят помещения, используемые для размещения промышленных серверов, и сдают в аренду арендаторам пространство, мощность, возможности подключения, а иногда и сами серверы. Традиционно большинство этих арендаторов были крупными корпоративными и гипермасштабными облачными провайдерами. Во многих случаях эти гипермасштабные и корпоративные арендаторы также построили свои собственные центры обработки данных для поддержки собственного роста.
Примерно с 2017 года майнинг биткойнов действительно вышел на промышленный уровень: целые комплексы центров обработки данных строятся исключительно для поддержки майнинга биткойнов в районах с экстремальными различиями в производимой и потребляемой электроэнергии. Теперь, в 2023 и 2024 годах, мы наблюдаем изменения на рынке, еще более заметные и разрушительные. В связи с резким ростом спроса на инфраструктуру графических процессоров многие бывшие центры обработки данных, ориентированные на колокейшн, рискнули самостоятельно покупать и размещать эту инфраструктуру графических процессоров. Тем временем гиперскейлеры переходят на сторону счетчиков, размещаясь рядом с крупными электростанциями с базовой нагрузкой, в поисках дешевой и надежной электроэнергии для нового всплеска спроса на высокопроизводительные вычисления. Это особенно примечательно, поскольку периодические возобновляемые источники энергии были самой популярной формой генерации в последние годы, в первую очередь благодаря государственным субсидиям.
Мы ожидаем следующее:
1. Продолжающийся рост спроса на энергию для обеих форм вычислений.
2. Строительство новых центров обработки данных как очередное узкое место в расширении сферы применения высокопроизводительных вычислений, при этом большие объемы объектов по добыче биткойнов перепрофилируются для сценариев использования с более высокой прибылью.
3. Оборудование для майнинга переместится на периферию в поисках удаленных мест и переменных показателей неэффективности, которые рабочие нагрузки HPC плохо подходят для монетизации.
4. Совместное использование майнинга биткойнов и высокопроизводительных вычислений в «центрах обработки данных кефали» позволит использовать высокий потенциал дохода HPC и гибкий характер майнинга биткойнов для эффективного балансирования энергопотребления и локальных сетей, одновременно превосходя традиционные стратегии центров обработки данных.
Заключение
Когда появляются новые энергоемкие технологии, часто возникают опасения по поводу их использования энергии и ее внешних последствий. Майнинг биткойнов и высокопроизводительные вычисления не являются исключениями: как политики, так и кабинетные технологи одинаково требуют смягчения или контроля над ними. Но такие прожорливые технологии представляют собой естественную тенденцию человеческого прогресса. В дополнение к очевидной полезности, обеспечиваемой расчетной сетью Биткойн и рабочими нагрузками искусственного интеллекта и машинного обучения, мы можем продемонстрировать, что их можно использовать таким образом, чтобы эффективно максимизировать новые и существующие энергетические ресурсы для полезных экономических целей.
Это гостевой пост Дрю Армстронга и Ариэля Дешапеля. Высказанные мнения являются полностью их собственными и не обязательно отражают точку зрения BTC Inc или Bitcoin Magazine.
Источник: Журнал Биткойн.
Пост «Вычислительный максимализм: симбиоз между майнингом биткойнов и искусственным интеллектом» впервые появился на Crypto Breaking News.
