البصمة المائية للذكاء الاصطناعي .. مراكز البيانات “تستنزف الموارد المائية”.. الأزمة تصل إفريقيا

تستخدم مراكز البيانات التقليدية بالفعل كميات كبيرة من المياه لعمليات التبريد الخاصة بها، ولكن قد تحتاج هذه إلى زيادة قدرتها على التبريد لدعم موارد الحوسبة الهائلة ومتطلبات التخزين اللازمة لدعم تطبيقات الذكاء الاصطناعي الجديدة.

وأوضح كافيه مدني، مدير معهد الأمم المتحدة للمياه والبيئة والصحة والنائب السابق لرئيس مكتب جمعية الأمم المتحدة للبيئة: “يتطلب الذكاء الاصطناعي عمليات عالية الأداء ويؤدي ذلك إلى استخدام المزيد من الكهرباء والمياه في حالة مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي بالمقارنة مع مراكز البيانات التقليدية.”

وتظهر مراكز بيانات مخصصة للذكاء الاصطناعي، معظمها في الولايات المتحدة، ولكن بشكل متزايد أيضا في الجنوب العالمي، حيث تستنزف موارد المياه.

كشف تقرير مؤشر الذكاء الاصطناعي لعام 2023 الصادر عن جامعة ستانفورد أن التأثير البيئي لتدريب نماذج الذكاء الاصطناعي غير مسبوق مع تزايد اعتماد الذكاء الاصطناعي بشكل كبير.

وتضاعفت نسبة الشركات التي تستخدم الذكاء الاصطناعي بين عامي 2017 و2022، بحسب التقرير.

خبراء الذكاء الاصطناعي أصبحوا يدركون بشكل متزايد البصمة البيئية للذكاء الاصطناعي، ويجب على الجمهور وصناع القرار أن يعرفوا عن مثل هذه البصمات حتى يتمكنوا من تطوير إجراءات استباقية للحد من البصمة.

تتطلب أنظمة الذكاء الاصطناعي الكثير من البيانات للتدريب والتشغيل. يتم تخزين هذه البيانات في مراكز البيانات، وهي مرافق كبيرة تحتوي على أنظمة الكمبيوتر والمعدات الأخرى.

تعد مراكز البيانات العمود الفقري للعالم الرقمي، حيث توفر قوة الحوسبة ومساحة التخزين التي تحتاجها أنظمة الذكاء الاصطناعي لتعمل، حيث تدعم أنشطتنا عبر الإنترنت، مثل وسائل التواصل الاجتماعي والتسوق عبر الإنترنت وخدمات البث والألعاب عبر الإنترنت ومؤتمرات الفيديو.

التعلم الآلي يستهلك 10 % من طاقة مركز البيانات

وحتى بعد اعتماد أفضل الممارسات، فإن التعلم الآلي يستهلك حوالي 10 إلى 15% من إجمالي طاقة مركز البيانات في جوجل، وفقًا لورقة بحثية لعلماء الكمبيوتر في شركة التكنولوجيا الأمريكية.

وزاد استهلاك المياه في مراكز بيانات الشركة بأكثر من 60% خلال السنوات الأربع الماضية، من 3,412 مليون جالون في 2019 إلى 5,565 مليون جالون في 2022.

يقول شاولي رين، الأستاذ المشارك في قسم الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في جامعة كاليفورنيا، ريفرسايد، إن البصمة الكربونية لنماذج الذكاء الاصطناعي عادة ما تكون موثقة، لكن “البصمة المائية مفقودة”، وأضاف “بمجرد أن نتمكن من رؤية البصمة المائية للذكاء الاصطناعي، يمكننا الاستفادة من مرونة جدولة الذكاء الاصطناعي لتقليلها”.
كميات كبيرة من المياه للتبريد

تستخدم مراكز البيانات المياه بطريقتين: مباشرة وغير مباشرة، تتطلب مراكز البيانات كميات هائلة من الكهرباء لعملياتها ويتطلب توليد الكهرباء كميات كبيرة من المياه.

بالإضافة إلى هذا التأثير غير المباشر من خلال استخدام الكهرباء، تتطلب مراكز البيانات كميات كبيرة من المياه للتبريد.

تستخدم محطات توليد الطاقة الماء لتوليد الكهرباء عن طريق تسخين الماء لتوليد البخار، والذي يقوم بعد ذلك بتشغيل التوربينة لتوليد الكهرباء، تتم معالجة المياه المستخدمة في هذه العملية أولاً لإزالة أي ملوثات قد تؤدي إلى تلف المعدات.

بعد استخدام الماء لتكوين البخار، قد يتم تبخيره أو تصريفه كنفايات سائلة أو إعادة تدويره.

تستخدم مراكز البيانات أيضًا الماء لتبريد المعدات عن طريق تدوير الماء من خلالها، مما يمتص الحرارة، ثم يتم تبريد الماء وإعادة تدويره.

تختلف كمية المياه المستخدمة حسب نوع محطة الطاقة ومن منطقة إلى أخرى، حيث يعتمد استهلاك المياه على الظروف الجوية وتكنولوجيا التبريد المستخدمة.

القيود والأولويات المحلية

يقول علماء الكمبيوتر، إن هذه الظروف المحلية لا تؤخذ في الاعتبار في كثير من الأحيان عند اتخاذ القرارات بشأن مكان تحديد مراكز البيانات أو أنظمة التبريد التي سيتم استخدامها.

وأضاف رين: “نحن بحاجة إلى النظر في القيود والأولويات المحلية قبل تحديد طريقة التبريد الأكثر ملاءمة”.، موضحا “نحن بحاجة إلى النظر ليس فقط في الاستهلاك المباشر للمياه، ولكن أيضًا في الاستهلاك غير المباشر للمياه لتوليد الكهرباء لتقليل إجمالي البصمة المائية بشكل شامل.”

وفقًا لنسخة أولية حديثة (مسودة ورقة بحثية لم تتم مراجعتها من قبل النظراء) نشرها رين وزملاؤه، فإن تدريب GPT-3 في مراكز البيانات الأمريكية الحديثة التابعة لشركة Microsoft يمكن أن يستهلك بشكل مباشر إجمالي 700000 لتر من المياه النظيفة، ويقولون إن نموذج التنبؤ باللغة يحتاج إلى “شرب” زجاجة ماء سعة 500 مل لإجراء محادثة بسيطة تتكون من حوالي 20 إلى 50 سؤالاً وإجابة لكل مستخدم.

وإذا تم إجراء هذا التدريب في مراكز البيانات الآسيوية التابعة لمايكروسوفت، فسوف يستهلك ثلاثة أضعاف ذلك، وفقًا للصحيفة، وذلك لأن المناخ في آسيا أكثر دفئًا وجفافًا، مما يعني أن هناك حاجة إلى المزيد من المياه لتبريد مراكز البيانات.

وجاء في التقرير أن “هذا أمر مقلق للغاية، لأن ندرة المياه العذبة أصبحت واحدة من التحديات الأكثر إلحاحا التي نتقاسمها جميعا في أعقاب النمو السكاني السريع، واستنزاف موارد المياه، وشيخوخة البنية التحتية للمياه”.

إفريقيا وأزمة المياه ومراكز البيانات

تعد منطقة جنوب الصحراء الكبرى في أفريقيا واحدة من عدة مناطق تواجه أزمة مياه، حيث من المتوقع أن يتضاعف الطلب على المياه أربع مرات تقريبا بحلول عام 2030، ومع ذلك، فقد أصبحت مركزا لاستثمارات مراكز البيانات.

وقد تضاعف الطلب على مراكز البيانات في القارة منذ عام 2016، وفقًا للاتحاد الدولي للاتصالات، ومن المتوقع أن تجتذب استثمارات بقيمة 5 مليارات دولار أمريكي بحلول عام 2026، مما قد يفرض المزيد من الضغوط على الموارد المائية.

مراكز البيانات

عدم وجود التنظيم

وقال مدني من معهد المياه التابع لجامعة الأمم المتحدة: “هذا القطاع لا يتم تنظيمه بشكل صحيح في كل من شمال العالم وجنوبه”، مضيفاً أن اللوائح والمراقبة والإبلاغ الأقوى “ضرورية”، “بالإضافة إلى ذلك، يجب على مستخدمي الخدمة أن يدركوا تأثيرات “استهلاك الذكاء الاصطناعي” على موارد المياه”.

ووفقاً للبنك الدولي، تمثل الكوارث المرتبطة بالمياه 70% من إجمالي الوفيات المرتبطة بالكوارث الطبيعية.

لا يحصل حوالي 2 مليار شخص في جميع أنحاء العالم على مياه الشرب المأمونة، ويعاني ما يقرب من نصف سكان العالم من ندرة حادة في المياه على الأقل لجزء من العام.

ومن المتوقع أن ترتفع هذه الأرقام، مع تفاقمها بسبب تغير المناخ والنمو السكاني.

وفي البلدان النامية، تعتبر البصمة المائية لمراكز بيانات الذكاء الاصطناعي أكثر إثارة للقلق، وغالباً ما تمتلك هذه البلدان موارد مائية محدودة وتكافح بالفعل لتلبية احتياجات أعداد سكانها المتزايدة.

إضافة عدد متزايد من مراكز البيانات إلى هذا المزيج يمكن أن يشكل ضغطًا على موارد المياه ويؤدي إلى نقص المياه.

توزيع التكاليف البيئية

وقال محمد عتيق سلام، الأستاذ المساعد في علوم الكمبيوتر والهندسة بجامعة تكساس في أرلينجتون، وأحد أعضاء فريق ما قبل الطباعة، إن المياه نادراً ما تؤخذ في الاعتبار عند تحديد مواقع مراكز البيانات، وأضاف “عادةً ما تهتم الشركات أكثر بالأداء والتكلفة، ولا تأخذ كثافة المياه في الاعتبار”، موضحا “نحن بحاجة إلى ضمان توزيع التكاليف البيئية بشكل عادل عبر مناطق مختلفة من أجل الذكاء الاصطناعي العادل بيئيًا، وهو اعتبار حاسم للذكاء الاصطناعي المسؤول.”

لاجوس وأزمة مراكز البيانات والمياه في نيجيريا

فيليكس أديبايو في جزيرة فيكتوريا، منطقة غنية داخل مدينة لاجوس الصاخبة في نيجيريا، ورغم وضعها الغني تعاني المنطقة من نقص حاد في المياه النظيفة، تحدث عن كيفية تأثير ذلك على الحياة اليومية لأسرته، قائلا: “نشتري الماء للشرب والطهي”.

ويقول الخبراء إن النقص يرجع إلى منسوب المياه الضحلة وتسرب المياه المالحة إلى المياه الجوفية.

لذلك، على الرغم من لجوء بعض السكان إلى حفر الآبار، فإن المياه غير مناسبة حتى للاحتياجات الأساسية مثل الاستحمام، ناهيك عن الشرب.

وأوضح أديبايو: “لا يمكنك حفر بئر والحصول على مياه نظيفة منه لأن المياه التي ستحصل عليها تحت الأرض هي نفسها”.

يقع مركز بيانات IpNx على بعد حوالي 300 متر من مقر إقامة Adebayo، وهي شركة اتصالات تركز على تقديم خدمات الاتصال للميل الأخير.

ويدعي مركز آخر، MDXI ، أنه يدير أكبر مراكز البيانات المحايدة للناقل (غير مرتبطة بأي مزود خدمة واحد) في غرب أفريقيا، ويقع مكتبها الرئيسي داخل أبراج FF Millennium في شارع ليجالي أيوريندي، على بعد أقل من كيلومترين من شارع أديبايو.

وفقًا لخريطة مراكز البيانات، وهو مصدر مفتوح للبحث في مراكز البيانات، يقع المقر الرئيسي لما لا يقل عن عشرة مراكز بيانات في لاجوس، حيث تستنفد موارد المياه .

غالبًا ما تستخدم مراكز البيانات مثل هذه كميات كبيرة من المياه لتوليد الكهرباء والتبريد.

ومع الطفرة في الذكاء الاصطناعي (AI)، الذي يعتمد على الوصول إلى كميات هائلة من البيانات، فإن الطلب على خدمات مراكز البيانات آخذ في الارتفاع.

الذكاء الاصطناعي وتغير المناخ

في حين أنه قد يتم الإعلان عن البصمة الكربونية لهذه المراكز، إلا أن المعلومات المتاحة للعامة قليلة حول استخدامها للمياه.

في لاجوس، يعود نقص المياه في المدينة إلى ما قبل ظهور مراكز البيانات، ويرتبط إلى حد كبير بالنمو السكاني السريع، وعدم كفاية البنية التحتية، والتلوث، من بين أمور أخرى، كما يقول سودات أجيجولا، كبير المحاضرين في قسم الهندسة المعمارية بجامعة ليد سيتي في نيجيريا.

وأضاف، أن “الضغط على موارد المياه المحدودة الحالية- من مراكز البيانات- ربما يكون قد أدى إلى إجهاد كبير لتوفير المياه النظيفة الكافية”.

وقال أجيجولا: “إن إنشاء مراكز الذكاء الاصطناعي والبيانات في نيجيريا يمكن أن يسهل التطور التكنولوجي، ويعزز التعاون مع شركات التكنولوجيا العالمية، ويحسن النمو الاقتصادي بشكل عام، إلا أنه يمكن أن يؤدي إلى تفاقم الضغط على إمدادات المياه المحدودة بالفعل، وربما يؤثر على إمكانية حصول الناس على المياه.”

نقص المياه في لاجوس

وفي لاجوس، تقوم هيئة المياه الحكومية بتزويد بعض الأسر بالمياه، لكن السكان يقولون إنها في كثير من الأحيان غير نظيفة والتدخل غير كاف.

ويقول أديبايو إنه في نهاية المطاف ينفق ما يصل إلى 8000 نيرة (حوالي 9 دولارات أمريكية) أسبوعيًا على الماء.

وقال صديق أوموتايو، صديق أديبايو: “لقد اعتادوا جلب المياه من إيكويي”، “توجد شركة مياه في إيكوي. وتستخدم هذه الصهاريج لجلب المياه وإمداد المنطقة، لكنها غير صالحة للشرب وغير منتظمة، ولا يستخدمها كثيرون في الطهي”.

وفي عام 2021، اعترفت حكومة ولاية لاجوس بأن أقل من 40% من سكان الولاية يحصلون على مياه صالحة للشرب.

وأشار نائب المحافظ أوبافيمي حمزات، إلى أن إنتاج مؤسسة المياه لا يكفي لتلبية احتياجات سكان لاجوس، مضيفا “تقدر الخطة الرئيسية لإمدادات المياه في ولاية لاجوس الطلب اليومي على المياه في المدينة بـ 540 مليون جالون يوميًا، لكن إنتاج مؤسسة مياه ولاية لاجوس يبلغ 210 مليون جالون يوميًا”.

موقف شركات مراكز البيانات

موظف الاستقبال في ipNX أوضح، أن الشركة حفرت بئرها قبل ثلاث سنوات وكانت تشتري المياه قبل ذلك، إلا أنه رفض تحديد كمية المياه التي تستهلكها.

وكان مركز راك قد تعهد بتقليل استهلاكه للمياه بنسبة تزيد عن 40%، وفقًا لتقرير إعلامي محلي .

“الإشراف على المياه“

كشف العديد من مقدمي الخدمات السحابية وشركات الإنترنت الكبيرة، والمعروفين مجتمعين باسم المتوسعين الفائقين، عن مقاييس استخدام المياه في مراكز البيانات الخاصة بهم.

وقد التزمت شركات مايكروسوفت وفيسبوك (ميتا) وأمازون وجوجل جميعها بأن تكون إيجابية في مجال المياه بحلول عام 2030.

وأوضح رين، من جامعة كاليفورنيا في ريفرسايد: “عادةً ما تحقق شركات التكنولوجيا الكبرى “إيجابية المياه” من خلال استعادة المياه من أماكن أخرى لتعويض استهلاكها”، “هذا يشبه استخدام الطاقة غير المتجددة في مكان واحد ثم توليد الطاقة المتجددة في مكان آخر لتعويض استخدام الطاقة غير المتجددة.”

إلا أن إسلام، من جامعة تكساس، أضاف: “هذه الشركات لا تمتلك إلا نسبة ضئيلة من جميع مراكز البيانات في العالم”، “إذا لم تنضم جميع شركات مراكز البيانات الأخرى إلى هذه المبادرات، فلن تكون هذه الجهود أكثر من مجرد حملة علاقات عامة.”

وأضاف رين أنه على الرغم من أن هذه خطوة إيجابية نحو الإدارة الجيدة للمياه، إلا أن هذه الممارسة وحدها لن تكون كافية لاستدامة المياه.

وقال، إن مراكز البيانات تحتاج أيضًا إلى تقليل استهلاكها للمياه، وتحسين كفاءة استخدام المياه، والإبلاغ عن استهلاكها للمياه خارج الموقع لتوليد الكهرباء.

توسيع مراكز البيانات في البلدان النامية

وهناك خطط لبناء وتوسيع مراكز البيانات في العديد من البلدان النامية، بما في ذلك بعض البلدان التي تعاني بالفعل من ندرة المياه وأزماتها مثل غانا ونيجيريا وكينيا وبيرو وأوروجواي وتشيلي، وبلدان في الشرق الأوسط وشمال أفريقيا.

وتعاني أوروجواي، على سبيل المثال، من أسوأ موجة جفاف منذ 74 عاماً.

موجات الجفاف

وحذر إسلام من أنه “يجب على الدول النامية أن تتعامل مع انتشار الذكاء الاصطناعي بحذر، لأن العديد من آثاره قد تمر دون أن يلاحظها أحد”، “يجب على هذه الدول أن تنظر في اللوائح الصادرة عن الاتحاد الأوروبي والولايات المتحدة لتجنب التأثير المحتمل للذكاء الاصطناعي على البيئة بشكل استباقي.”

وفي حين أن التوسع في مراكز البيانات وخدمات الذكاء الاصطناعي يمكن أن يؤدي إلى زيادة استخدام المياه، إلا أنه لا ينبغي إغفال الفرص غير المسبوقة التي يوفرها الذكاء الاصطناعي لتحسين إدارة الموارد المائية واستخدامها في القطاعات البلدية والزراعي والصناعية، بحسب مدني.

وقال: “أنا متحمس لهذه الفرص بينما أبذل الجهود لرفع مستوى الوعي العالمي حول البصمة البيئية لمنتجات الصناعة 4.0″، في إشارة إلى ما يسمى بالثورة الصناعية الرابعة، التي تنطوي على دمج الذكاء الاصطناعي في التصنيع والعمليات الصناعية.

حلول مبتكرة

يمكن للابتكارات الجديدة أن تساعد مراكز البيانات على تقليل استهلاكها للمياه، على سبيل المثال، تعمل Google حاليًا على تطوير بديل جديد منخفض المياه قادر على تقليل استخدام المياه في مركز البيانات بنسبة تصل إلى 50% .

تستخدم Google أيضًا المياه المستصلحة أو المياه غير الصالحة للشرب في أكثر من 25% من مراكز البيانات التابعة لها، في مقاطعة دوغلاس، جورجيا، نفذت Google حلاً لتبريد مركز البيانات الخاص بها عن طريق إعادة تدوير مياه الصرف الصحي البلدية المحلية التي كان من الممكن أن تترسب في نهر تشاتاهوتشي.

تستفيد Microsoft من طريقة تسمى التبريد الأديباتي، والتي تستخدم الهواء الخارجي بدلاً من الماء للتبريد عندما تكون درجات الحرارة أقل من 85 درجة فهرنهايت (29.4 درجة مئوية).

تستخدم مراكز البيانات قدرًا كبيرًا من الطاقة، لذا فإن التخفيض البسيط في استهلاك الطاقة سيكون مفيدًا.

تقترح دراسة حديثة إنشاء نظام لتوزيع أحمال العمل في مركز البيانات بطريقة تراعي درجة حرارة الخوادم، وذلك لتقليل كمية الطاقة اللازمة للتبريد.

أظهرت النتائج أن الطريقة المقترحة يمكن أن تقلل من استهلاك طاقة التبريد بنسبة تزيد عن 30% مقارنة بالطرق الأخرى.

ركز البحث على مراكز البيانات المبردة بالهواء وهناك حاجة إلى مزيد من البحث لمعرفة كيف يمكن تطبيقها على تقنيات التبريد السائل.

تتمتع مراكز البيانات التي تمتلك وتدير المنشأة بأكملها بمرونة أكبر لاستكشاف مصادر المياه البديلة وتقنيات التبريد.

يستخدم مركز بيانات هامينا التابع لشركة Google في فنلندا مياه البحر للتبريد منذ افتتاحه في عام 2011.

ويتم ضخ مياه البحر الباردة إلى مبادلات حرارية داخل المنشأة، ويتم خلط الماء الساخن بمياه البحر الباردة قبل إعادتها إلى البحر.

يعد مشروع Microsoft Natick بمثابة محاولة لمواجهة تحدي التبريد عن طريق غمر مركز بيانات مغلق تحت الماء. يستخدم هذا درجة حرارة البحر المحيطة للتبريد.

هذه مجرد أمثلة قليلة لكيفية قيام مراكز البيانات بتقليل استخدام المياه مع استمرار نمو الطلب على مراكز البيانات.

وفي لاجوس، يعتقد أجيجولا، من جامعة ليد سيتي في نيجيريا، أن هناك حاجة إلى إنشاء أطر ومعايير تنظيمية لتعزيز الممارسات المستدامة، إلى جانب الاستثمار في مبادرات البحث والتطوير التي تركز على تقنيات توفير المياه في الذكاء الاصطناعي ومراكز البيانات .

وقال أجيجولا: “نحن في عصر التكنولوجيا، لذا فإن الاستثمار في البنية التحتية للذكاء الاصطناعي لا يمثل مشكلة، كما أنه مهم للغاية بالنظر إلى الاتجاهات العالمية”، “ومع ذلك، يجب أن يكون التركيز على ضمان اعتماد ممارسات مستدامة.”

تابعنا على تطبيق نبض