מרכזי AI ותעשיית הרכב מתכנסות סביב אתגרי האנרגיה

שתי מהפכות טכנולוגיות מרכזיות מתרחשות במקביל בעולם כיום: הצמיחה האדירה בביקוש לכוח מיחשוב עבור מרכזי נתונים של בינה מלאכותית, והמעבר ההולך וגובר לרכבים חשמליים. למרות שהן מגיעות מכיוונים שונים, מתברר ששתי התעשיות הללו נתקלות באותם אתגרים בדיוק — ומפתחות פתרונות המזינים זו את זו.

הבעיה המשותפת: ביקוש אנרגטי שגובר על יכולת הרשת

שני הסקטורים חולקים מטרה בסיסית משותפת: השגת יותר אנרגיה. עבור מרכזי AI, הביקוש נובע מהצורך ההולך וגובר בכוח מיחשוב כדי לקצר זמני עיבוד ולהשיג תוצאות מדויקות יותר. עבור כלי רכב חכמים, שהופכים יותר ויותר למרכזי נתונים על גלגלים, מדובר בהוספת מיחשוב עתיר ביצועים ושיפור טווח הנסיעה.

אך שני הסקטורים נתקלים באותן מגבלות. קיבולת רשת החשמל לא גדלה בקצב שמתקרב לקצב הגידול בביקוש לאנרגיה. במקביל, שניהם מתמודדים עם עלויות גוברות ולחץ פוליטי כתוצאה מעלייה בתעריפי החשמל.

מרכזי AI של ימינו הם חיה שונה לחלוטין ממרכזי נתונים רגילים, כפי שמסביר Sinha Puneet, מנהל בכיר וראש תחום סוללות גלובלי ב-Siemens EDA: "מרכזי AI דורשים הרבה יותר ג'ולים, הרבה יותר אנרגיה, כי משימות AI צורכות הרבה יותר אנרגיה. בנוסף, יש תנודתיות גבוהה פי עשרה בביקוש לאנרגיה במרכזי AI לעומת מרכז נתונים רגיל — כי ברגע שמשימת AI אחת מסתיימת, אחרת מתחילה. אם לא מנהלים את זה נכון, התנודתיות עלולה לגרום לקריסת רשת שלמה."

הפתרון המשולש: סוללות, חומרים חדשים ומקורות אנרגיה חלופיים

הפתרון לאתגר האנרגיה מגיע בשלושה חלקים עיקריים:

1. הגדלת אחסון סוללות עם טעינה דו-כיוונית

מערכות אחסון אנרגיה מבוססות סוללות (BESS) הופכות לקריטיות להתמודדות עם תנודות האנרגיה. כפי ש-Peter Wawer, נשיא חטיבת כוח תעשייתי ירוק ב-Infineon, מציין: "ככל שהסוללות הופכות לזולות הרבה יותר, הצמיחה של מערכות אחסון אנרגיה בסוללות תימשך בגדול. ההערכה היא שמרכזי נתונים יעקפו בסופו של דבר את הצריכה הכוללת של שוק הרכב."

טכנולוגיית הטעינה הדו-כיוונית זמינה כבר כיום בדגמי רכב מסוימים, והיא צוברת תאוצה כדרך זולה לאחסון אנרגיה עודפת מפאנלים סולאריים וטורבינות רוח. חוות סוללות מוקדמות משתמשות בסוללות שנחשבות ל"סוף חיים" לרכבים חשמליים, מכיוון שאין להן מספיק קיבולת לטווח נסיעה — אך הן עדיין שימושיות ליישומים אחרים.

עבור מרכזי AI, מערכות BESS מספקות אנרגיה לגיבוי במקרה של הפסקת חשמל, מייצבות תנודות מתח, ומשמשות כמקור כוח ראשי בזמני שיא ברשת. חברות מסתכלות על מערכות אחסון אנרגיה ארוכות טווח, כמו מה ש-Google עושה עם Form Energy, חברת סוללות הזרימה.

סוללות זרימה הן מערכות ניהול אנרגיה נטענות המאחסנות אנרגיה כימית באלקטרוליטים נוזליים במיכלים חיצוניים. בעתיד, מערכות אחסון ארוכות טווח יהיו חיוניות גם להתמודדות עם האתגר של חיבור מרכזי AI לרשת החשמל — תהליך שעלול לקחת שנים.

"חיבור לרשת הוא תהליך שגוזל זמן רב באופן קיצוני", מציין Puneet. "בפעם האחרונה שבדקתי, מדובר בכמה שנים במקרים רבים כדי לקבל את החיבור. זו הסיבה שחברות רבות מדברות על הפעלת גנרטורים מקומיים ומקורות כוח אחרים, כי לוקח כל כך הרבה זמן לקבל את כל האישורים הנדרשים. חברות בודקות האם ניתן לייצר אנרגיה באתר, כמו גם שימוש במקורות אנרגיה ארוכי טווח מסוללות זרימה וטכנולוגיות אחרות."

2. חומרים חדשים וארכיטקטורות שבבים

העלאת המתח במערכות, במקום הגדלת הזרם, היא חלק נוסף מהפתרון. הדבר מאפשר צפיפות כוח גבוהה יותר לשטח נתון ופחות תנועת נתונים.

חומרים בעלי פס איסור רחב כמו SiC (סיליקון קרביד) ו-GaN (גליום ניטריד) מאפשרים למרכזי נתונים לעבור מארכיטקטורת כוח של 48V DC ברמת הראק ל-800V. כפי שמסביר Pradeep Shenoy, טכנולוג כוח מיחשוב ב-Texas Instruments: "זהו קפיצה גדולה. אני משווה את זה לשוק הרכבים החשמליים. כיום, לרכבי EV יש סוללות של 400V או 800V. אנחנו עובדים על הטכנולוגיה הזו כבר זמן רב, ולכן אנחנו יכולים למנף במהירות טכנולוגיות רבות שפותחו לשוק הרכבים החשמליים ולהחיל אותן על מרכזי נתונים."

Helmut Puchner, סגן נשיא ועמית בכיר ב-Infineon Technologies, מוסיף: "אנחנו מדברים על מסילות מתח עם אלפי אמפר. ספקי הכוח הישנים היו חד-פאזיים. עכשיו אנחנו מדברים על 12 או 16 פאזות. מנהלי השערים יכולים להתמודד עם 150 אמפר כל אחד ויותר. SiC יכול לכסות יותר מ-1,000V, GaN נמצא בטווח מתח בינוני, וסיליקון יכול לכסות מ-650 וולט ועד 10 וולט."

3. מקורות אנרגיה אלטרנטיביים וברי-קיימא

החלק השלישי הוא שימוש במגוון מקורות אנרגיה כדי לשמור על אספקת חשמל רצופה.

"הפתרון היחיד הוא תערובת מתאימה של מקורות כוח — כלומר סולאר ורוח. בלוחות זמנים קצרים יותר, מדובר ככל הנראה בטורבינות גז", מציין Wawer. "כל הצורות האחרות, במיוחד אם אנחנו חושבים על אנרגיה גרעינית, לוקחות הרבה יותר מדי זמן לבנייה."

הקמת תחנות כוח גרעיניות חדשות אורכת שנים רבות, אך הפעלה מחדש של תחנות קיימות יכולה להיות פתרון מהיר יותר. Steven Lee, מנהל מוצר לתוכנת עיצוב אלקטרוניקת כוח ב-Keysight Technologies, מספר: "אני גר בפנסילבניה, ומנסים שם להפעיל מחדש את תחנת הכוח הגרעינית Three Mile Island. הם מפעילים אותה מחדש כדי לספק חשמל למרכזי AI. החשמל לבתים שלנו יהפוך ליקר הרבה יותר כתוצאה ממרכזי AI. זו תהיה ההשפעה המיידית עלינו."

העלות של אנרגיה סולארית הגיעה לנקודה של פחות מסנט אחד לקילו-ואט שעה, מה שאמור להניע התקנות סולאריות כפתרון מרכזי. "Solar panels מייצרים DC באמצעות תאים פוטו-וולטאיים", מסביר Lee. "ואז מנסים להמיר את זה ל-AC באמצעות ממיר סולארי. לכן זה נקרא inverter, כי זה DC ל-AC עבור סולארי, בעוד שמהרשת החשמלית למרכז הנתונים זה זרימה של AC ל-DC."

חילופי טכנולוגיה בין התעשיות

נקודה חשובה היא שזרימת הרעיונות אינה חד-כיוונית. מהנדסים בתעשיית הרכבים החשמליים ומרכזי הנתונים מחליפים רעיונות על אופטימיזציה של שימוש באנרגיה וסוללות, ואף על החזרת אנרגיה עודפת לרשת.

כפי ש-Hoa Tram, מהנדסת מוצר בכירה ב-Cadence, מסבירה: "רכבי EV הביאו לנו חבילות סוללות במתח גבוה, מערכות ניהול סוללות מתוחכמות ואלקטרוניקת כוח דו-כיוונית לבלימה רגנרטיבית וטעינה מהרכב לרשת — והרעיונות האלה מופיעים כעת במרכזי נתונים דרך מערכות אחסון סוללות בקנה מידה גדול, ניהול סוללות רב-שכבתי ואינטראקציה חכמה יותר עם הרשת."

לדבריה: "מרכזי נתונים בקנה מידה גדול הם מובילים בשימוש בטלמטריה, אנליטיקה ותאומים דיגיטליים לתכנון ותפעול תשתית מורכבת, ויצרני רכב וספקים מאמצים גישות דומות לרכבים מוגדרי תוכנה, אנליטיקת סוללות ברמת ציי רכב ואופטימיזציה של כוח ותרמיקה."

DC Micro-Grids: מגמה מתגברת

רשתות DC מיניאטוריות חודרות לשוק מכיוון התעשייה. חברות רבות מציידות אתרי ייצור תעשייתיים ברשתות DC, כי ההיגיון פשוט: ניתן לחבר צרכנים ומערכות אחסון סוללות דרך מערכת כזו, תוך הגדלה מסיבית של היעילות.

Wawer מסביר: "רובוטים תעשייתיים משתמשים כיום בהתנגדות לבלימה. אם אתה מזיז את הזרם וצריך להאט, אתה בולם ומבזבז את האנרגיה באמצעות נגד, מה שבלתי יעיל לחלוטין. עם רשת DC, אתה יכול לשנות את הטופולוגיה, להסיר את הנגד, ובמקום זאת לבלום באמצעות ייצור אנרגיה ולהזין אותה בחזרה לרשת — בדומה לרכבים חשמליים. זה נושא ענק, כולל ייצור מוזן DC, כי יש לך פאנלים סולאריים על הגג. הדברים האלה כבר מתרחשים, לאט אבל בהתמדה. הם מואצים מאוד בגלל שמרכזי AI קופצים על זה."

ניהול סוללות: מרכבי EV למרכזי נתונים

ניהול מערכות אחסון סוללות וניהול אנרגיה בין מרכז הנתונים, הרשת ומקורות כוח מתחדשים נעשה באמצעות היררכיה של מערכות תוכנה מבוססות AI:

• BMS (Battery Management System) — מפקח על תרמיות, נקודות חום, קירור, בקרים חשמליים, טעינת יתר ופריקת יתר
• EMS (Energy Management System) — מנהל את הזרימה בין מקורות אנרגיה שונים
• GiUPS (Grid-interactive UPS) — מערכות UPS אינטראקטיביות עם הרשת

Bryan Kelly, מהנדס ראשי ב-Synopsys, מציין: "לולאת הקירור התרמו-הידראולית היא לרוב המאתגרת ביותר. תחום המכטרוניקה הזה נופל בדרך כלל מחוץ למומחיות המעשית של מהנדסי עיצוב חבילות סוללות. אמנם כלי תוכנת CFD יכולים לתמוך בניתוחים תרמיים ראשוניים, אבל בסופו של דבר דגם אב-טיפוס וירטואלי של מערכת הקירור השלמה — לוח קירור, צינורות, שסתומים ורכיבים קשורים — הוא חיוני."

מודל כזה מאפשר אימות על פני סוגי קירור שונים, תנאי סביבה ותרחישי הפעלה. "בנוסף, סיפור תרמי מקצה לקצה של מודל סימולציית חבילת הסוללות מאפשר ללמוד חימום נדרש בטמפרטורות נמוכות במיוחד, להעריך התנהגות בקרה על פני טווח רחב של טמפרטורות, ולתנאי תקלה — כמו זרימת קירור מופחתת בזמן ביקוש גבוה לזרם — שקשה או לא מעשי לשחזר על ספסל בדיקה פיזי."

החזרת אנרגיה עודפת לרשת

רכבים חשמליים כבר מתקדמים יותר ממרכזי נתונים ביכולת להחזיר אנרגיה עודפת לרשת. מערכות טעינה דו-כיווניות כוללות:

• V2G (Vehicle-to-Grid) — מהרכב לרשת
• V2H (Vehicle-to-Home) — מהרכב לבית
• V2L (Vehicle-to-Load) — מהרכב לעומס

Negar Soufi Amlashi, סמנכ"לית מכירות ב-Infineon, מסבירה: "ככל שהרכבים נעשים חשמליים ומחוברים, הם הופכים לנכס אנרגיה נייד על הכביש. הם לא רק צורכים כוח — הם מייצרים אותו, מאחסנים אותו ואף מזינים אותו בחזרה לרשת. הקשר הסימביוטי הזה הופך למכריע."

מרכזי נתונים תיאורטית יכולים לבצע אופטימיזציות דומות דרך מערכות אחסון סוללות, מקורות כוח מקומיים או רשתות DC מיניאטוריות. לדברי Shenoy מ-Texas Instruments: "ישנן קפיצות מיקרו-שניות בכוח שמרכז נתונים עלול לחוות, בזמנים קצרים מאוד, בעוד שהרשת פועלת בזמנים ארוכים יותר. דאגה נוספת מנקודת המבט של רשת החשמל היא: 'מה אם למרכז הנתונים הזה יש תנודות או הפרעות שמפילות את הרשת?' יש הרבה פעילות ומומחיות הנדסית ממוקדת בהבטחה שמרכז הנתונים פועל בצורה שלא מפריעה לרשת."

שימוש חוזר בחום: פתרון סקנדינבי

אפשרות מעניינת נוספת היא החזרת חום עודף ממרכזי נתונים לחברות החשמל המקומיות, כפי שקורה במדינות סקנדינביה.

Puchner מ-Infineon מסביר: "מרכזי נתונים פשוט הופכים אנרגיה חשמלית לחום, כמו כל תחנת כוח. גדלתי באוסטריה, ולמשך דורות שרפנו אשפה עם דלק נוסף, וכך היפטרנו מהאשפה, וכמוצר לוואי ייצרנו חום שחולק ל-60,000 עד 100,000 משקי בית. אני יכול לראות את המודל הזה משמש במקום לחמם נהר בשתיים או שלוש מעלות לקירור מרכז נתונים. למה לא להחזיר את החום לקהילה? כולנו יכולים להשתמש בחום בחורף."

המערכות קיימות והטכנולוגיה קיימת, אך ההשקעה עלולה להיות גבוהה מדי עבור חברות מרכז נתונים. "אם הציבור הרחב או ממשלות מוכנים להשקיע בזה, זו רעיון טוב", מוסיף Puchner. "מרכזי הנתונים האלה פועלים 24/7 ומייצרים הרבה חום."

מיחדוש פסולת: דוגמאות מעשיות

חדשנות במיחדוש צפויה לגדול, בין אם לניצול אנרגיה עודפת או חום, או למיחזור סוללות וחומרה ישנות:

• Waymo הפכה סוללות EV שיצאו משימוש לאחסון אנרגיה נקייה לתשתיות מקומיות חיוניות
• חוקרים מ-UC San Diego ו-Google חילצו לוחות אם מסמארטפונים שיצאו משימוש, אספו אותם לאשכולות והקימו אותם מחדש כפלטפורמת מיחשוב רב-תכליתית למרכז נתונים לחוקרים וסטודנטים

כיוונים עתידיים

דו"ח של Morgan Stanley על שווקי אנרגיה מציין כי "משקיעים צפויים לראות יותר מפתחים עוברים למודלים היברידיים או מנותקים מהרשת, שיאפשרו להם להבטיח את עמידות הפעילות שלהם בשוק כוח עולמי הדוק יותר, ששם דגש רב יותר על ספקי ציוד כוח."

Kristof Beets, סגן נשיא לניהול מוצר ב-Imagination Technologies, מוסיף: "אנחנו מקבלים הרבה דחיפה לצפיפות. יש דחיפה להפיק את המרב מהמרחב הפיזי, כמו גם מתקציבי הכוח, שיש למרכזי נתונים ולרכב. אבל רוב הדחיפה שאנחנו מקבלים היא מאוד מנקודת המבט של היעילות."

עם זאת, מגמה זו עשויה להתהפך במהירות ככל שצרכי הכוח גדלים ועויות הסקת מסקנות AI עולות, עם דגש על אינטליגנציה לוואט.

סיכום: למה זה חשוב

ארכיטקטורות שבבים, רשתות וממירים יעילים יותר הם חלק מהפתרון להפחתת צריכת הכוח של מרכזי AI. הצד השני של הפתרון הוא שימוש במקורות אנרגיה נקיים ומתחדשים יותר, כך שהכוח המשמש מרכזי AI לא משפיע לרעה על האוכלוסייה הכללית מבחינת זמינות ועלות.

רכבים חשמליים מבטיחים הקלה דומה מהתלות במקורות נפט מוגבלים. עם זאת, ראוי לציין שכתלות במקור החשמל של רשת החשמל — גרעיני, הידרו או פחם — רכבי EV אינם בהכרח נקיים הרבה יותר מרכבים מונעי בנזין. כפי ש-Lee מ-Keysight מציין: "אתה מסתכל רק על חלק מסוים מאוד מהזמן, שהוא הרכב שלי, אבל לא מסתכל במעלה הזרם מאיפה מגיע הכוח."

שתי התעשיות הללו, מרכזי AI ורכבים חשמליים, הולכות ומשתלבות זו בזו. הטכנולוגיות שפותחו באחת מאומצות על ידי השנייה, ויחד הן דוחפות קדימה את המהפכה האנרגטית שתשפיע על כולנו — מהדרך שבה אנחנו נוסעים ועד האופן שבו אנחנו מפעילים את שירותי הענן שלנו.