Oak Ridge lập viện mới để hạ nhiệt cơn khát điện của trung tâm dữ liệu AI

Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (ORNL) tại bang Tennessee vừa công bố thành lập Next Generation Data Centers Institute, viết tắt là NGDCI, một chương trình nội bộ nhằm xử lý bài toán điện năng đang phình to từ các trung tâm dữ liệu AI. ORNL cho biết viện mới sẽ kết nối năng lực về năng lượng, siêu máy tính hiệu năng cao, an ninh mạng và công nghệ lưới điện để giúp hạ tầng AI của Mỹ vận hành an toàn, hiệu quả và ổn định hơn. Dù được xây dựng để phục vụ ưu tiên quốc gia của Mỹ, các kết quả nghiên cứu từ đây nhiều khả năng cũng sẽ có giá trị tham khảo trên phạm vi toàn cầu.

Theo lãnh đạo ORNL, trí tuệ nhân tạo đang làm thay đổi mọi lĩnh vực, nhưng mức tiêu thụ điện của nó là điều chưa từng có tiền lệ. Phòng thí nghiệm này cảnh báo lượng điện cần để cấp cho các datacenter AI, tức trung tâm dữ liệu chuyên xử lý và huấn luyện mô hình AI, có thể tăng gấp đôi hoặc gấp ba trong 10 năm tới. Điều đó sẽ đè thêm áp lực lên lưới điện Mỹ vốn đã căng thẳng. Chính vì vậy, NGDCI được lập ra để nghiên cứu cách phối hợp giữa nguồn điện, làm mát và điều phối khối lượng công việc tính toán, thay vì tối ưu từng phần riêng lẻ.

ORNL cho biết NGDCI sẽ tập trung vào sáu mảng chính gồm quản lý nhiệt, kiến trúc hệ thống điện, tích hợp với lưới điện, bảo mật, mô hình hóa hệ thống tích hợp và quản lý tải vận hành. Trong đó, quản lý nhiệt sẽ tìm kiếm thế hệ công nghệ làm mát mới, bởi các hệ thống hiện nay có thể chiếm tới 40-60% tổng điện năng của một trung tâm dữ liệu. Ở mảng kiến trúc điện, viện sẽ nghiên cứu cách năng lượng đi từ nguồn phát tới máy chủ, bao gồm cả khả năng dùng dòng điện một chiều, hay direct current (DC), để giảm thất thoát so với các mô hình phân phối điện truyền thống, cùng với các thiết bị điện tử công suất mới giúp chuyển đổi và điều khiển điện năng hiệu quả hơn.

Một điểm đáng chú ý là ORNL muốn đưa cyber-informed engineering vào trung tâm dữ liệu. Đây là cách tiếp cận thiết kế hệ thống vật lý và hạ tầng kỹ thuật dựa trên hiểu biết sâu về rủi ro an ninh mạng, nghĩa là bảo mật không được thêm vào ở bước cuối mà phải được cài sẵn từ kiến trúc ban đầu. Viện cũng đề cập đến quantum-safe communications, tức các phương thức truyền thông an toàn trước nguy cơ máy tính lượng tử trong tương lai có thể phá vỡ nhiều chuẩn mã hóa hiện nay. Với các trung tâm dữ liệu AI ngày càng trở thành hạ tầng trọng yếu, lớp bảo vệ này được xem là bắt buộc thay vì tùy chọn.

Không dừng ở phạm vi bên trong trung tâm dữ liệu, ORNL còn muốn dùng mô hình hóa hệ thống tích hợp để dự báo tác động rộng hơn của hạ tầng AI tới năng lượng, việc làm, vật liệu và sức cạnh tranh của Mỹ trong thập niên 2030 và xa hơn. Nói cách khác, bài toán không chỉ là một cụm máy chủ tiêu thụ bao nhiêu điện, mà còn là chuỗi cung ứng phần cứng, nhu cầu xây dựng, khả năng mở rộng lưới điện và ảnh hưởng tới nền kinh tế. ORNL cho rằng nếu chỉ để các khuôn viên dữ liệu khổng lồ tiếp tục tăng tải như hiện nay, lưới điện Mỹ sẽ khó hấp thụ nổi nếu không có cách quy hoạch và vận hành mới.

Theo tầm nhìn của ORNL, vấn đề có thể được đảo chiều nếu trung tâm dữ liệu được tích hợp thông minh hơn với hệ thống điện. Điều đó bao gồm liên kết giữa cấp điện, làm mát, quản lý nhiệt, workload scheduling và AI-enabled forecasting. Workload scheduling có thể hiểu là sắp lịch và phân bổ tác vụ tính toán vào thời điểm hoặc khu vực phù hợp để tránh tạo đỉnh tải điện quá lớn. Còn AI-enabled forecasting là dùng chính AI để dự báo nhu cầu điện, nhiệt lượng và trạng thái vận hành, từ đó điều chỉnh hệ thống theo thời gian thực. Nếu làm tốt, datacenter không chỉ tiêu thụ điện hiệu quả hơn mà còn có thể hỗ trợ lưới điện vận hành ổn định hơn.

Sáng kiến mới của ORNL nhận được sự ủng hộ từ các tên tuổi lớn trong ngành hạ tầng AI như AMD và Nvidia. Đại diện AMD nhận định thế hệ AI mới đang thay đổi các yêu cầu ở điểm giao giữa năng lực tính toán, năng lượng và lưới điện, và NGDCI được tạo ra để giải quyết những thách thức đó ở quy mô lớn. Thông điệp này phản ánh xu hướng chung của ngành: hiệu năng chip không còn là yếu tố duy nhất, mà khả năng cấp điện, tản nhiệt và kết nối với hạ tầng năng lượng quốc gia đang trở thành lợi thế cạnh tranh cốt lõi.

ORNL cũng là một phần của Genesis Mission, sáng kiến được chính quyền Mỹ khởi động năm ngoái nhằm thúc đẩy sử dụng AI cho khám phá khoa học bằng cách huy động tài nguyên từ các phòng thí nghiệm quốc gia, doanh nghiệp và giới học thuật. Trong đóng góp của mình, ORNL đang chuẩn bị triển khai hai hệ thống mới là Discovery và Lux. Discovery được giới thiệu như người kế nhiệm của Frontier, hệ thống exascale đầu tiên trên thế giới; exascale là cấp độ siêu máy tính có thể thực hiện ít nhất một tỷ tỷ phép tính mỗi giây. Trong khi đó, Lux là một cụm AI cluster, tức cụm máy tính tối ưu cho học máy, phục vụ tăng tốc nghiên cứu machine learning. ORNL cho biết NGDCI sẽ tập trung vào các công nghệ cần thiết để vận hành ổn định những hệ thống này, đồng thời hỗ trợ các đột phá khoa học trong tương lai.