Розширення штучного інтелекту руйнує електромережі: 7 енергетичних інвестиційних логік, які потрібно знати

Автор: Джозеф Аюб

Переклад: Shenchao TechFlow

Senchao Guide: Усі говорять про обчислювальну потужність і моделі, але ця стаття ставить більш фундаментальне питання: чи встигає постачання енергії? Morgan Stanley прогнозує, що у 2028 році США зіткнуться з дефіцитом електроенергії в 45 ГВт, терміни поставки великих трансформаторів досягли 24-36 місяців, а споживання електроенергії в AI дата-центрах зростає на 15% щорічно. Автор виводить 7 інвестиційних логік, від розподілу електромереж до твердотільних трансформаторів і двофазного охолодження - куто́ві, але ключові.

Текст статті:

NVIDIA нещодавно випустила рамку “AI - це п’ятишарний торт”. Сьогодні я хочу довести, що енергетичний шар є обмежуючим фактором інтелектуального зростання та дослідити його наслідки.

Прогрес людської цивілізації є результатом нашої здатності управляти інструментами - будь то молоток, вогонь, коні, друкарський верстат, телефон, лампочка, парова машина, радіо чи AI. Ці “інструменти” - це спосіб, яким людина перетворює енергію на продуктивність.

В основному, ми підвищуємо людську продуктивність, захоплюючи енергію та направляючи її до мети за допомогою інструментів.

Коротко кажучи, основна логіка прогресу людської цивілізації виглядає так:

Протягом більшої частини історії людства люди покладалися на енергію свого тіла та руки як на інструменти для досягнення цілей, будь то сільське господарство чи письмо. Друкарський верстат є типовим прикладом того, як енергія та інструменти просуваються разом - був популяризований Гутенбергом у 1440 році. До цієї інновації люди витрачали власну енергію, пишучи інформацію від руки (інструментом), що було надзвичайно неефективно. Друкарський верстат винайшов новий інструмент, значно підвищивши ефективність використання енергії людського тіла шляхом механічного друку тексту, внаслідок чого продуктивність зросла на кілька порядків. Однак з 1450 по 1800 рік, протягом майже 350 років, друкарський верстат майже не зазнавав суттєвих інновацій. Лише коли людина навчилася використовувати більш потужні джерела енергії - вугілля, все змінилося в бік енергії. У 1814 році Фрідріх Кеніг винайшов паровий друкарський верстат, адаптувавши його до тодішньої домінуючої енергетичної інновації - вугілля, що підвищило ефективність в 5 разів. Відтоді друкарський верстат продовжував ефективно адаптуватися до нових джерел енергії, збільшуючи виробництво з 250 примірників на годину до 30 000 примірників через 50 років, а сьогодні досягло кількох мільйонів.

Отже, постійна інновація нових інструментів, подолання меж управління енергією, підвищення ефективності нових інструментів щодо доступної енергії - цей процес триває й досі. Сьогодні інтелект є новою формою продуктивності, на яку ми зосереджуємося, енергія є її паливом. Ключ у тому, чи зможемо ми продовжувати просувати інтелектуальне зростання, залежить від того, скільки стійкої, надійної енергії ми можемо виробити для живлення інструментів (GPU) і направлення їх до мети (інтелекту).

Ця тема підтверджується шкалою Кардашова - остання вимірює рівень технологічного прогресу цивілізації за кількістю енергії, яку вона може контролювати, від планет до зірок, до галактик, до Всесвіту і до мультивсесвіту. Скільки енергії ми можемо контролювати, вказує на те, наскільки далеко ми просунулися як цивілізація. Протягом історії цей закон завжди діяв, і в майбутньому це також не буде винятком. Здатність управляти енергією є основою просування цивілізації.

Основний аргумент статті полягає в тому, що попит на енергію швидко перевищує пропозицію, що є основним вузьким місцем для просування інтелекту. Я розгляну первинні та вторинні наслідки цього аргументу.

Чому постачання енергії сповільнюється?

Відкриття ядерного розподілу сталося в 1939 році і є останнім значним зрушенням у енергетичній сфері з моменту виникнення людської цивілізації. Однак через аварію на Чорнобильській АЕС та зобов’язання світу перейти від ядерної енергії до відновлюваних джерел енергії з 1950 року виникла явна невідповідність між інноваціями в інструментах і прогресом у енергетиці. У 1950 році світове виробництво енергії становило 2600 ГВт, сьогодні - 19000 ГВт (зростання в 7,3 рази). Це виглядає як стрибок, але такий поступовий лінійний ріст далека від того, щоб відповідати зростанню сучасних обчислень та технологій, і навіть ледве перевищує зростання населення на 3,5 рази за той же період.

На відміну від цього, інтервали між інноваціями в інструментах скорочуються. Від першого друкарського верстата до його наступного значного покращення пройшло 364 роки, від першого польоту до космічних подорожей - 58 років, від першого мікропроцесора до Інтернету - 20 років, а сьогодні великі стрибки в GPU відбуваються кожні 2 роки. Ми живемо в епоху прискореного підвищення ефективності інструментів, так що кілька інновацій накладаються одна на одну все швидшими циклами. Від AI до криптографії до квантових обчислень нові інновації виявляються все швидше, а їх ефективність зростає з кожним днем - це закон прискореного повернення.

Сьогодні дата-центри становлять 1,5% світового споживання електроенергії, і очікується, що до 2030 року це число досягне 3% - за 6 років це вже пройшло шлях, який парова машина пройшла за 50 років. Ключова відмінність між промисловою революцією та сучасним інтелектуальним вибухом полягає в тому, що промислова революція одночасно з ростом попиту будувала власне енергопостачання - шахти, канали, залізничні мережі та машини, які їх споживали, одночасно розширювалися. Кожна попередня енергетична революція розвивала свої власні ланцюги постачання під час масштабного розширення; AI успадкувала вже існуючий ланцюг постачання, і цей ланцюг почав розпадатися.

Електромережа абсолютно не готова до щорічного зростання споживання електроенергії на 15% в умовах інтелектуального вибуху, тоді як попит на електроенергію в США за останнє десятиліття практично не зростав. У США вже почали з’являтися тріщини: черги для підключення до електромережі досягли історичного максимуму, терміни поставки великих трансформаторів у середньому досягли 24-36 місяців, а у 2025 році електротрансформатори зіткнуться з дефіцитом постачання в 30%. Morgan Stanley оцінює, що лише в США до 2028 року виникне дефіцит електроенергії в 45 ГВт, що відповідає споживанню електроенергії 33 мільйонів домогосподарств. Я вважаю, що цей дефіцит може бути значно більшим.

Питання очевидне: людству потрібно радикально розширити масштаби енергетики, щоб встигнути за інноваційними стрибками в сферах AI, робототехніки, автономного водіння та ін.

Наближаючись до енергетичного дефіциту: первинні та вторинні наслідки

Наслідки наближаючого енергетичного дефіциту мають історичне значення: з підвищенням попиту на енергію та нестачею постачання ми можемо побачити появу ринків напівприватизованої енергії.

Гіпермасштабні постачальники хмарних послуг (Hyperscalers) вже почали будувати власні електростанції за межами мережі (BTM) та планують розширитися до ядерних дата-центрів - ця тенденція вже почала проявлятися. Я вірю, що ця тенденція тільки посилиться.

Нижче я викладаю 7 аргументів, які є похідними від інтелектуального вибуху та його впливу на постійний тиск на постачання електроенергії.

Аргумент перший: розподіл електромереж - обчислювальна потужність буде переміщуватися до енергії, а не навпаки.

У регіонах з високим попитом на енергію, з доступною енергією і м’яким регулюванням юрисдикції, вони отримають непропорційні переваги внаслідок фрагментації енергетичних систем.

Коли попит на енергію почне перевищувати пропозицію, електрика стане політично чутливою. У домогосподарств є право голосу, у дата-центрів - ні. У разі дефіциту енергії електромережа навряд чи залишиться нейтральною, а скоріше буде надавати пріоритет споживанню електроенергії населення перед промисловими потребами через ціноутворення, обмеження доступу або м’які ліміти.

Оскільки обчислювальна потужність надзвичайно чутлива до затримок, безперервності роботи та надійності, функціонувати в юрисдикціях, які надають пріоритет споживанню домашньої електроенергії, є абсолютно неможливим. З нестабільним або політизованим доступом до електромережі обчислювальні навантаження будуть переміщуватися до моделей BTM, де електрика може бути безпосередньо гарантована, контрольована та оцінена.

Це призведе до структурних змін: обчислювальна потужність переміститься до економік з доступною енергією та м’якими регуляціями. Переможці - це ті, хто зможе інтегрувати землю, взаємозв’язок, виробництво енергії та оптоволокно в системи, що підлягають розгортанню та копіюванню, юрисдикції, в яких ці системи розташовані, також отримають вигоду.

Аргумент другий: енергія стає конкурентною перевагою, а BTM самостійне виробництво стає основною здатністю, що відрізняє постачальників обчислювальної потужності.

На мою думку, це найважливіший перший вплив зростання дефіциту енергії. У світі, де попит на енергію перевищує пропозицію, отримання дешевої та надійної електроенергії є структурною перевагою, що зростає з часом. Більше того, пріоритетне використання електроенергії електромережі для дата-центрів політично є неекономічним, і це точно той шлях, яким рухається енергія. Зростаюча напруга в національних електромережах примусить постачальників обчислювальної потужності самостійно генерувати електроенергію, гіпермасштабні постачальники хмарних послуг вже розпочали цей тренд. Без інфраструктури BTM виробництво електроенергії буде просто знищено.

По суті, компанії, які мають електрику, виграють, а ті, що орендують електрику, програють. Без BTM виробництва постачальники обчислювальної потужності зіткнуться з проблемами надійності електроенергії (фатальними), зростанням витрат і обмеженнями споживання електроенергії. Чисті хостингові REIT (такі як Equinix, Digital Realty) без власної електроенергії будуть знижувати свою вартість у порівнянні з вертикально інтегрованими операторами. Компанії, які поєднують виробництво енергії та хостинг обчислювальної потужності, створюють найглибші конкурентні переваги (Crusoe, Iren і деякі гіпермасштабні постачальники хмарних послуг). Це можна виразити як торгівлю з короткою та довгою позицією, але я більше схиляюся до підкреслення переможців у вертикальній інтеграції.

Аргумент третій: стандартизація BTM сприяє інноваціям - від традиційних трансформаторів до твердотільних трансформаторів, від традиційних переключаючих пристроїв до цифрових переключаючих пристроїв.

Традиційні трансформатори підвищують або знижують напругу електроенергії в змінному струмі. Через їхній розмір і матеріали терміни поставки досягли 24-36 місяців, і існує 30% дефіцит постачання. Вони також є технологією, що виникла в 80-х роках 19 століття, виготовленою вручну з обмежених матеріалів. Ключ у тому, що кожен мегават BTM виробництва електроенергії повинен бути перетворений, регульований і доставлений до обчислювальної потужності, і немає ніяких способів обійти трансформатор.

Твердотільні трансформатори замінюють все це на високочастотні електронні компоненти. Вони менші, швидші, повністю керовані, обробляють перетворення змінного струму на постійний, регулювання напруги та двосторонній струм в одному блоці. Виготовлення також простіше, оскільки воно покладається на кремнієві напівпровідники, такі як карбід кремнію/нітрид галію, а не на величезні мідні котушки та масляні резервуари. Оскільки BTM стає стандартною архітектурою, пристрій між енергією та обчислювальною потужністю стає вузьким місцем, і цей пристрій - це твердотільний трансформатор (SST).

Переключаючі пристрої також стикаються з затримкою 80 тижнів, є контролюючим шаром між виробництвом електроенергії та навантаженням, відповідальним за маршрутизацію електроенергії, ізоляцію від збоїв, захист системи. Як і трансформатори, переключаючі пристрої також є трудомісткими продуктами, виготовленими з обмежених матеріалів, і з 80-х років 19 століття майже не змінилися.

Цифрові переключаючі пристрої замінюють все це на твердотільні електронні компоненти. Вони швидші, програмовані, повністю керовані, реалізують виявлення збоїв у реальному часі, віддалену ізоляцію та динамічну маршрутизацію навантаження. Також важливо, що вони розширюються, як електронні продукти, а не як промислове обладнання.

Щодо міді: я маю конструктивний погляд на мідь. Мідь є швидкісною магістраллю для електроніки і стане ключовою сировиною у все більш електрифікованому світі. Однак спосіб вираження цієї угоди є тонким - традиційні гірничодобувні компанії як угода мають низькі маржі та можуть стискатися з часом. Але в кінцевих продуктах, які є незамінними та мають обмежений час, існують значні вузькі місця та простір для накопичення майбутньої вартості. Виробники кабелів, такі як Prysmian і Nexans, які продають обмеження кінцевих продуктів, а не сировини, вже не є ринком товарів, оскільки терміни поставки трансформаторів значно подовжилися.

Аргумент четвертий: вуглецеві витрати AI стають політично все складнішими, що змусить перейти до рішень на основі сонячної енергії та батарей.

Будівництво AI стикається з неврахованою вартістю вуглецю, що є політичним обмеженням. Дата-центри підвищують ціни на електроенергію, масово споживають водні ресурси та збільшують локальні викиди. Це вже стало очевидним: проекти на суму 18 мільярдів доларів були повністю скасовані, проекти на 46 мільярдів доларів відкладені.

Сьогодні приблизно 56% електроенергії дата-центрів постачається з викопних видів пального. Природний газ вирішує проблему швидкості розгортання, але політично є вразливим. З розширенням попиту опір до розширення викопних видів пального зростає, змушуючи формувати змішану систему з природного газу, ядерної енергії та відновлюваних джерел енергії.

Хоча природний газ виконує роль короткострокового моста в епоху вибухового зростання дата-центрів, з точки зору тривалої перспективи, забезпечення енергії не може бути вирішено видобутком пального, а лише захопленням енергії. Сонце постачає на Землю енергії в кілька порядків більше, ніж споживає людство. Обмеження не полягає у доступності, а у перетворенні, зберіганні та розгортанні.

Сонячна енергія не є миттєвим вирішенням енергетичних потреб в обчислювальній потужності, а є остаточним рішенням.

Сучасні комерційні сонячні установки захоплюють близько 22% падаючої енергії. Кожен відсоток підвищення ефективності перетворення знижує витрати на кожен мегават, наближаючи сонячну енергію до паритету з плановою генерацією в системах BTM.

Батарейне зберігання стає центральним компонентом цієї архітектури. Це не тільки для згладжування перерв, а й як шар доходу. Арбітраж зберігання та балансування навантаження перетворюють історичні центри витрат у джерела прибутку для операторів BTM.

У цьому аргументі переможцями є вертикально інтегровані компанії, які охоплюють захоплення, зберігання та розподіл: спеціалізовані розробники сонячних установок з контрактами BTM, виробники батарей з продуктами на рівні електромереж і майданчиків, а також деякі оператори, здатні поєднувати власне виробництво електроенергії з хостингом обчислювальної потужності.

Сонячна енергія - це гра на закупівлю та виробництво, батареї - це обмеження та реалізація, інтеграція прибутків захоплення, передові технології все ще є опціями, а не базовими сценаріями. У цій сфері Tesla, ймовірно, залишиться великим переможцем, але я виберу обмежитися не консенсусними активами.

Аргумент п’ятий: охолодження стає первинним обмеженням, двофазне пряме рідинне охолодження (D2C) стане необхідністю у передових застосуваннях.

Ще один наслідок - це зростання технології двофазного прямого рідинного охолодження. Відверто кажучи, цей аргумент також відображає мої власні судження: щільність потужності чіпів зростає параболічно, що є дедалі складнішою термодинамічною проблемою. Традиційне повітряне охолодження з різних причин є абсолютно непостійним, перш за все через те, що воно не може працювати з чіпами з більшою щільністю, а також проблеми з використанням води та електроенергії.

По-перше, D2C охолодження підвищує щільність і продуктивність без обмежень управління теплом - це ключова проблема розширення. Поточна реальність ринку - це однопрохідне охолодження, оскільки воно простіше: холодна вода циркулює по холодних платах, охолоджуючи чіпи, але існує відома межа. Коли щільність потужності чіпів перевищує 1500 Вт, перехід до двофазного охолодження стане неминучим. Двофазне охолодження накачує діелектричну рідину навколо чіпа, спроектовану для кипіння при низьких температурах - фазовий перехід з рідкого в газоподібний значно підвищує ефективність охолодження.

Двофазне охолодження може знизити споживання енергії на 20%, зменшити використання води на 48%. Це підвищення продуктивності дозволяє щільнішим чіпам мати менші упаковки, підвищуючи продуктивність і, в кінцевому підсумку, створюючи вищий попит на охолодження високої продуктивності.

Провідні компанії двофазного DTC, такі як Zutacore, демонструють використання діелектричної рідини (а не води) для двофазного D2C охолодження, що знижує споживання електроенергії на 82% та повністю усуває споживання води - цей результат був перевірений дослідженнями Vertiv та Intel. Zutacore - це приватний оператор, на який варто звернути увагу в цій сфері, і в подальшому глибше вивчення постачальників діелектричних рідин також може бути цінним.

Аргумент шостий: ядерна енергія може стати мостом до енергетичної достатності та стабільного постачання електроенергії, але не є довгостроковим рішенням для розширення енергетичних потужностей.

Під час написання цієї статті я спочатку вважав, що ядерна енергія є хорошим способом підключення короткострокового дефіциту енергії. Реальність така, що вартість впровадження малих модульних реакторів (SMR) є в 5-10 разів вищою за вартість природного газу (10-15 тисяч доларів за кВт), що фактично унеможливлює їх масове впровадження та розширення.

Ядерна енергія вирішує проблему надійності, а не швидкості чи вартості - особливо під час встановлення BTM. Це дозволяє забезпечити стабільну, регульовану базову навантажувальну електроенергію в ситуаціях, де надійність є незаперечною. Таким чином, ядерна енергія має свою роль у дефіциті енергії, будучи мостом, а не основним постачанням.

Ядерна енергія підлягає обмеженням циклу пального та часу будівництва. Сьогодні сучасні реактори вимагають високозбагаченого низькоконцентрованого урану (HALEU), а постачання цього пального сьогодні майже не має комерційного масштабу. Навіть коли реактори будуть побудовані, питання забезпечення їх паливом стане ключовим обмеженням швидкості розширення ядерної енергії.

Отже, малоймовірно, що ядерна енергія стане граничним рішенням для розширення енергетичних потужностей - вона повільно впроваджується, капіталомістка, підлягає обмеженням інфраструктури та пального. У порівнянні, системи, які розширюються найшвидше - нещодавно природний газ, у довгостроковій перспективі сонячна енергія та зберігання - є єдиними варіантами для скорочення розриву.

Інвестиційні вузькі місця не є реакторами, а паливом. З розширенням попиту на SMR високозбагачений уран стане критичним елементом - вузьким місцем, яке не залежить від конкретного типу реактора, і незалежно від того, який дизайн врешті-решт переможе, цінність буде накопичуватися тут.

Аргумент сьомий: з’являється нова група енергетичної інфраструктури; вертикальні інтегратори перетворюють електроніку на обчислювальну потужність.

Вузькі місця в інфраструктурі AI не лише в енергії, а й у здатності масово перетворювати енергію на доступні обчислення.

У 70-х роках 19 століття, подібно до електроенергії, нафта не була дефіцитом, але існували проблеми з її переробкою та розподілом. Рокфеллер створив компанію, вертикально інтегрувавши видобуток, переробку нафти та її розподіл до домівок, що стало однією з найбільших компаній в історії (Standard Oil).

Інтелектуальна революція слідує такій самій моделі; електроенергія - це нафта. Електроенергія є в достатку, але надійне перетворення електроенергії на обчислювальну потужність стикається з обмеженнями в доставці електроенергії, охолодженні, зв’язку та ліцензуванні. Очищення електроніки є цінністю. Кожен додатковий рівень володіння підвищує надійність, знижує витрати та забезпечує прибутковість, змушуючи вертикальну інтеграцію самопідтримуватися.

Гіпермасштабні компанії є розподільчими шарами цієї системи та кінцевими споживачами обчислювальної потужності. Проте структурні можливості полягають у володінні інфраструктурою, яку зобов’язані купувати дистриб’ютори. Це створює новий клас груп енергетичної інфраструктури, тобто операторів, які контролюють виробництво енергії, перетворення, охолодження та хостинг.

Найяскравіше це виражається у вертикально інтегрованих операторах на приватному ринку, таких як Crusoe та Lancium, а також у рідних обчислювальних платформах на публічному ринку, таких як Iren та Core Scientific, які вже володіють найскладнішими підставами; енергією.

Компанії, які контролюють потік електроніки до стійок, будують найглибші конкурентні переваги в AI економіці. Програмне забезпечення не може поглинути фізичну інфраструктуру.