Расширение ИИ разрывает электросеть: 7 энергетических инвестиционных стратегий, которые вы должны знать

Автор: Joseph Ayoub

Перевод: Deep Tide TechFlow

Deep Tide: Все обсуждают вычислительные мощности и модели, но эта статья поднимает более фундаментальный вопрос: успевает ли энергетическое обеспечение? Morgan Stanley прогнозирует, что в 2028 году в США возникнет дефицит электроэнергии в 45 ГВт, сроки поставки крупных трансформаторов уже составляют 24–36 месяцев, а энергопотребление ИИ- дата-центров ежегодно растет темпом 15%. Отсюда автор выводит 7 инвестиционных тезисов — от разделения энергосети до твердотельных трансформаторов и двухфазного охлаждения; ракурсы кажутся не самыми очевидными, но они критически важны.

Полный текст ниже:

NVIDIA недавно опубликовала рамку «ИИ — это пятислойный пирог». Сегодня я докажу, что энергетический слой — это и есть главный ограничитель связывания для «умного роста», и рассмотрю последствия.

Прогресс человеческой цивилизации — это результат того, что мы научились управлять возможностями инструментов — будь то молоток, огонь, лошади, печатный станок, телефон, лампочка, паровой двигатель, радиоприемник или ИИ. Эти «инструменты» — способы, с помощью которых человек превращает энергию в производительность.

По сути, мы повышаем производительность людей, улавливая энергию и направляя ее с помощью инструментов на цель.

Кратко логика прогресса человеческой цивилизации выглядит так:

На протяжении большей части истории человечества люди использовали энергию своего тела и руки как инструменты для продвижения к цели — будь то земледелие или письмо. Печатный станок — типичный пример того, как энергия и инструменты совместно продвигают развитие: его начали распространять в 1440 году по инициативе Гутенберга. До этого инновации люди тратили собственную энергию, записывая информацию вручную с помощью пера (инструмента) — это было крайне неэффективно. Печатный станок внедрил новый инструмент: механическое тиснение значительно повысило эффективность использования энергии тела, благодаря чему производительность выросла на несколько порядков. Однако с 1450 по 1800 год — почти 350 лет — в печатном станке практически не было существенных инноваций. Лишь когда человечество освоило более мощный источник энергии — уголь — изменилось равновесие на «энергетической стороне». В 1814 году Friedrich Koenig изобрел паровой привод печатного станка, адаптировав печатный станок под тогдашнюю доминирующую энергетическую инновацию — уголь; эффективность выросла в 5 раз. После этого печатный станок постоянно и эффективно адаптировался к новой энергии: выпуск вырос с 250 экземпляров в час до 30 000 спустя 50 лет, а сегодня — до нескольких миллионов экземпляров.

Так продолжается бесконечный процесс: новые инструменты, прорыв границ того, как мы управляем энергией, и повышение эффективности новых инструментов относительно доступной энергии. Этот процесс длится и по сей день. Сегодня интеллект — это новая форма производительности, на которую мы делаем ставку; энергия — ее топливо. Ключевой вопрос: сможем ли мы продолжать «умный рост»? Он зависит от того, сколько мы можем производить устойчивой и надежной энергии, чтобы приводить в действие инструменты (GPU) и направлять их на цель (интеллект).

Этот тезис подтверждается шкалой Кардэшева — она оценивает уровень технологического прогресса цивилизации через то, сколько энергии та может освоить: от планет до звезд, от галактик до Вселенной и далее до мультивселенной. То, сколько энергии мы можем освоить, показывает, насколько далеко мы продвинулись как цивилизация. В истории это правило всегда работало, и в будущем не будет исключений. Способность осваивать энергию — фундаментальное условие для движения цивилизации вперед.

Ключевой тезис данной статьи таков: спрос на энергию быстро обгоняет предложение — и это главный узкий пункт на пути «умного» прогресса. Я рассмотрю первичные и вторичные последствия этого тезиса.

Почему энергоснабжение замедляется?

Открытие ядерного деления датируется 1939 годом — это пока последняя крупная смена в энергетической сфере, которую мы внедрили со времен рождения человеческой цивилизации. Однако из-за аварии на Чернобыле и глобальных обязательств перехода от ядерной энергетики к возобновляемым источникам, с 1950 года появилось заметное несоответствие между инновациями в инструментах и прогрессом в энергетике. В 1950 году мировое производство энергии составляло 2600 ГВт, сегодня — 19000 ГВт (рост в 7,3 раза). Поначалу это выглядит как скачок, но такой постепенный линейный рост никак не соответствует темпам роста современных вычислений и технологий — и даже с трудом превышает рост населения в тот же период в 3,5 раза.

В отличие от этого, интервалы между «квантовыми скачками» инноваций в инструментах сокращаются. От первого печатного станка до его следующего серьезного улучшения прошло 364 года; от первого полета до космического путешествия — 58 лет; от первого микропроцессора до интернета — 20 лет; а сегодня крупные скачки для GPU происходят раз в 2 года. Мы живем в окне ускоряющегося повышения эффективности инструментов, и потому многие инновации начинают накладываться друг на друга в ускоряющихся циклах. От ИИ до криптографии и квантовых вычислений — скорость появления новых инноваций растет, а их прогресс по эффективности становится все более стремительным. Это и есть закон ускоренных отдач.

Сегодня дата-центры составляют 1,5% от мирового энергопотребления; ожидается, что к 2030 году эта доля достигнет 3% — то есть за 6 лет будет пройден путь, который паровой машине потребовалось пройти за 50 лет. Главная разница между промышленной революцией и текущим «умным взрывом» заключается в следующем: промышленная революция одновременно с ростом спроса строила собственное энергоснабжение — угольные шахты, каналы, железнодорожные сети и расширяла вместе с ними машины, которые это потребляли. Каждая предыдущая энергетическая революция параллельно со масштабированием создавала свои цепочки поставок. ИИ наследует уже существующую цепочку поставок, которая уже начала разрушаться.

Электросети в принципе не готовы справляться с ежегодным ростом энергопотребления на 15% из-за «умного взрыва», а в США спрос на электроэнергию за последние десять лет почти не рос. Трещины уже видны в США: очередь на подключение к электросетям — самая длинная за всю историю, а время поставки крупных трансформаторов в среднем достигло 24–36 месяцев; в 2025 году электрические трансформаторы столкнутся с дефицитом предложения в 30%. Morgan Stanley оценивает, что только одной Америке к 2028 году будет не хватать 45 ГВт электроэнергии — это соответствует потребностям в электроэнергии 33 миллионов домохозяйств США. Я думаю, что этот дефицит может оказаться гораздо больше.

Проблема предельно ясна: людям нужно радикально наращивать энергетический масштаб, чтобы успевать за скачками инноваций в ИИ, робототехнике, беспилотном вождении и т.д.

Ожидающийся энергетический дефицит: первичные и вторичные последствия

Последствия надвигающегося энергетического дефицита исторически значимы: по мере того как спрос на энергию взлетает, а предложение не поспевает, мы можем увидеть появление почти «приватизированного» энергетического рынка.

Сверхкрупные облачные провайдеры (Hyperscaler) уже начали строить генерирующие мощности «за спиной счетчика» (BTM) и планируют расширяться до атомных дата-центров — этот тренд уже намечается. Я уверен: он будет становиться все более заметным.

Далее я приведу 7 аргументов — все они являются производными от того, как «умный взрыв» и его последствия для напряженного энергоснабжения влияют на ситуацию.

Аргумент первый: разделение электросети — вычислительные мощности будут перетекать к энергии, а не наоборот

В регионах, близких к локациям, где есть спрос, юрисдикции с избытком энергии и более мягким регулированием будут получать непропорционально большую ценность по мере фрагментации энергосистемы.

Когда спрос на энергию начнет превышать предложение, электроэнергия станет политически чувствительной. У семей есть право голоса, у дата-центров — нет. В условиях энергетического дефицита электросеть вряд ли сможет оставаться нейтральной — скорее она будет расставлять приоритеты через ценообразование, ограничения доступа или мягкие верхние лимиты, ставя потребности населения выше потребностей промышленности.

Учитывая, что вычислительные мощности крайне чувствительны к задержкам, времени безотказной работы и надежности, в юрисдикциях, которые действительно ставят приоритет жилью, операционная модель вычислительных нагрузок в целом невозможна. По мере того как подключение к сети становится нестабильным или политизированным, вычислительные рабочие нагрузки будут смещаться в BTM-режим генерации, где электроэнергия может быть напрямую гарантирована, контролируема и тарифицируема.

Это запустит структурный сдвиг: вычислительные мощности переместятся в экономии с избытком энергии и более мягким регулированием. Победителями станут те, кто способен объединить землю, связность (interconnectivity), генерацию энергии и оптоволокно в системы, которые можно развернуть и тиражировать; и именно юрисдикции, где находятся эти системы, также извлекут выгоду.

Аргумент второй: энергия становится конкурентной «защитой рва», а BTM-собственная генерация — ключевой компетенцией для различения поставщиков вычислений

На мой взгляд, это самый критичный первичный эффект усиления энергетического дефицита. В мире, где спрос на энергию превышает предложение, получение дешевой надежной электроэнергии превращается в структурное преимущество по накоплению доходности со временем. Более того: политически поддерживать приоритетное занятие сетевой электроэнергией дата-центрами будет невозможно — и именно такой курс сейчас задается рынком. Усиливающаяся напряженность национальных сетей электроснабжения вынудит поставщиков вычислений строить собственное электричество; сверхкрупные облачные провайдеры уже начинают идти по этому пути. Без инфраструктуры BTM генерировать будет просто нельзя — такие участники будут отсеиваться напрямую.

По сути: компании, у которых есть электричество, побеждают; компании, которые его арендуют, проигрывают. Без BTM генерации поставщики вычислений столкнутся с проблемами надежности электроэнергии (фатальными), роста затрат и ограничений использования. Без «чистой» аренды с REIT, имеющих генерацию «на своей стороне» (например, Equinix, Digital Realty), по сравнению с вертикально интегрированными операторами ценность таких моделей снижается. Компании, которые объединяют генерацию энергии с хостингом вычислений, создают самый глубокий ров (Crusoe, Iren и часть сверхкрупных облачных провайдеров). Это можно выразить как торговля лонг/шорт, но я в большей степени хочу подчеркнуть здесь победителей с вертикальной интеграцией.

Аргумент третий: стандартизация BTM порождает инновации — от традиционных трансформаторов к твердотельным; от традиционных коммутирующих устройств к цифровым

Традиционные трансформаторы повышают или понижают напряжение в цепях переменного тока. Из-за своих размеров и материалов сроки поставки достигают 24–36 месяцев, а также существует дефицит предложения на 30%. Кроме того, это технология из 80-х годов XIX века, в которой ключевую роль играет ручное изготовление вокруг ограниченных материалов. Суть в том, что каждые мегаватты BTM-генерации должны пройти преобразование, регулирование и доставку до вычислительного узла; у трансформаторов нет никаких «обходных» способов.

Твердотельные трансформаторы заменяют все это высокочастотной силовой электроникой. Они меньше, быстрее и полностью управляемы: в одном модуле они обрабатывают преобразование AC-DC, регулирование напряжения и двунаправленные токи. Производство проще: оно опирается на кремниевые силовые полупроводники, такие как карбид кремния/нитрид галлия, а не на огромные медные обмотки и маслозаполненные баки. По мере того как BTM становится стандартной архитектурой, устройство между энергией и вычислениями становится «узким горлышком» — и этим устройством будет твердотельный трансформатор (SST).

Коммутирующие устройства тоже упираются в задержки порядка 80 недель: это слой управления между генерацией и нагрузкой, который отвечает за маршрутизацию электроэнергии, изоляцию неисправностей и защиту систем. Как и трансформаторы, коммутирующие устройства — трудоемкий продукт, изготавливаемый из ограниченных материалов, и с 80-х годов XIX века почти не изменились.

Цифровые коммутирующие устройства заменяют все это твердотельными силовыми электронными компонентами. Они быстрее, программируемы и полностью управляемы: обеспечивают обнаружение неисправностей в реальном времени, удаленную изоляцию и динамическую маршрутизацию нагрузки. И столь же важно: они масштабируются как электронные устройства, а не как промышленное оборудование.

Касательно меди: у меня конструктивное мнение о меди. Медь — это «скоростная магистраль» электроники, и в мире все более широкой электрификации она будет главным базовым сырьем, в котором возникнет наибольший спрос. Но формулировка этой сделки тонкая: традиционные горнодобывающие компании торгуют сырьем, у них низкие маржи и прибыль может сжиматься со временем. В то же время на стороне конечных продуктов, где медь незаменима и где сроки ограничены, существует серьезное «узкое горлышко» и пространство для накопления будущей ценности. Prysmian и Nexans, например, продают готовые кабельные решения как ограничения/«оковы» по продукту, а не сырье; по мере того как сроки поставки трансформаторов резко удлиняются, это больше не будет рынком сырьевых товаров.

Аргумент четвертый: углеродная стоимость ИИ становится политически все менее устойчивой и вынудит решения, основанные на солнечной энергии и батареях

У ИИ есть углеродная проблема, которой пока не назначена цена — и это политическое ограничение. Дата-центры поднимают тарифы на электроэнергию, в больших объемах потребляют водные ресурсы и увеличивают локальные выбросы. Это уже проявляется: проекты дата-центров на 18 миллиардов долларов были отменены полностью, а проекты на 46 миллиардов долларов — отложены.

Сегодня около 56% электроэнергии дата-центров приходится на ископаемое топливо. Природный газ решает проблему скорости развертывания, но политически он уязвим. По мере расширения спроса сопротивление расширению ископаемой энергетики будет расти, вынуждая в ближайшее время формировать смешанные системы из природного газа, атомной энергии и возобновляемых источников.

Хотя природный газ выступает в роли краткосрочного «моста» в условиях взрывного роста дата-центров, в более долгом горизонте «изобилие энергии» решается не добычей топлива, а улавливанием энергии. Энергия, которую Солнце передает Земле, на порядки превышает то, сколько энергии потребляет человечество. Ограничение не в доступности, а в преобразовании, хранении и развертывании.

Солнечная энергия — не мгновенное решение для энергетических потребностей вычислений, а конечное решение.

Текущее коммерческое улавливание солнечной энергии обеспечивает около 22% от падающей энергии. Любое повышение эффективности преобразования снижает стоимость за мегаватт и приближает солнечную энергию в BTM-системах к по-настоящему диспетчеризуемой генерации по паритетной цене.

Аккумуляторное накопление энергии становится ключевым компонентом этой архитектуры. Не только для сглаживания прерывистости, но и как слой получения дохода. Арбитраж накоплений и балансировка нагрузки превращают исторический центр затрат в источник прибыли для операторов BTM.

В рамках этого тезиса победителями будут вертикально интегрированные компании, покрывающие улавливание, хранение и доставку: специализированные разработчики солнечных проектов с контрактами BTM, производители батарей с продуктами уровня энергосети и на площадке, а также немногие операторы, способные объединять собственную генерацию с хостингом вычислений.

Солнечная энергия — игра закупок и производства; батареи — ограничение и слой монетизации; интеграция прибыли от улавливания; технологии на переднем крае — это скорее опционы, а не базовый сценарий. Здесь, возможно, Tesla продолжит оставаться главным победителем, но я ограничусь ставками в пределах не-консенсусных тикеров.

Аргумент пятый: охлаждение становится первичным ограничением, а двухфазное прямое жидкостное охлаждение (D2C) в передовых применениях станет необходимым

Еще одно последствие — рост технологий двухфазного прямого жидкостного охлаждения. Честно говоря, этот тезис встроен и в мои собственные оценки: плотность мощности чипов растет по траектории, похожей на параболу, а это становится все более сложной термодинамической задачей. Традиционное воздушное охлаждение по ряду причин просто не может быть устойчивым: прежде всего потому, что оно не работает на более высоких плотностях мощности чипов, плюс существуют экологические проблемы с потреблением воды и электроэнергии.

Во-первых, охлаждение D2C продвигает плотность и производительность без ограничений, связанных с управлением теплоотводом — это ключевой вопрос при масштабировании. Текущая рыночная реальность такова: доминирует одноконтурное охлаждение, потому что оно проще: холодная вода циркулирует через контуры холодных пластин и охлаждает чипы, но у него есть известный предел. Когда плотность мощности чипа превысит 1500W, переход к двухфазному охлаждению станет неизбежным. Двухфазное охлаждение будет подавать диэлектрическую жидкость вокруг чипа, конструктивно нацеливаясь на кипение при низких температурах — фазовый переход от жидкого состояния к газообразному значительно повышает эффективность охлаждения.

Двухфазное охлаждение может снизить энергопотребление на 20% и сократить расход воды на 48%. Такое повышение производительности позволяет делать более плотные микропакеты (малые фишки) чипов, повышать производительность и, в итоге, увеличивать спрос на охлаждение высокого класса.

Пионер в двухфазном DTC Zutacore показал двухфазное D2C-охлаждение с использованием диэлектрической жидкости (а не воды): снижение энергопотребления на 82% и полное устранение потребления воды — этот результат подтвержден исследованиями Vertiv и Intel. Zutacore — частный оператор в этой области, на которого стоит обратить внимание; кроме того, углубленное исследование поставщиков диэлектрической жидкости тоже может быть ценным.

Аргумент шестой: ядерная энергетика может служить мостом к более изобильному и стабильному энергоснабжению, но не является долгосрочным ответом на расширение энергии

При написании этой статьи я сначала думал, что ядерная энергетика — хороший способ заполнить краткосрочную «дыру» в энергии. Реальность такова: развертывание малых модульных реакторов (SMR) обходится в 5–10 раз дороже, чем системы на природном газе (10 000–15 000 долларов за кВт), и фактически их нельзя развернуть и масштабировать в больших объемах.

Ядерная энергетика решает проблему надежности, а не скорости или стоимости — особенно при установке в BTM. Это позволяет давать стабильную, диспетчеризуемую базовую нагрузку в ситуациях, где надежность невозможно обсуждать. Поэтому ядерная энергетика в дефиците энергии играет свою роль — как мост, а не как основной источник.

Ядерная энергетика ограничена топливным циклом и сроками строительства. Современным продвинутым реакторам нужен высокообогащенный низко-концентрационный уран (HALEU), а сегодня топлива такого масштаба практически нет в коммерческих поставках. Даже когда реакторы построены, вопрос, смогут ли их обеспечить топливом, становится ключевым ограничением скорости расширения ядерной энергетики.

Поэтому ядерная энергетика вряд ли станет предельным решением для расширения энергии: она выходит на рынок медленно, требует капиталоемких затрат, ограничена инфраструктурой и топливом. В то же время самый быстрый путь расширения — в ближайшей перспективе природный газ, а в долгосрочной — солнечная энергия и накопители — именно они являются вариантами для сокращения разрыва.

Инвестируемое «узкое место» — не реакторы, а топливо. По мере роста спроса на SMR важным звеном станет обогащение высокообогащенного урана — критически важный этап, не зависящий от конкретного типа реактора. В этом месте и будет накапливаться ценность.

Аргумент седьмой: появляется новая группа энергетической инфраструктуры; вертикально интегрированные игроки превращают электроны в вычислительную мощность

Ограничение ИИ-инфраструктуры заключается не только в энергии, но и в масштабной способности превращать энергию в доступную вычислительную мощность.

В 70-х годах XIX века, как и в случае с электричеством, нефть не была дефицитной, но возникали проблемы с ее переработкой и распределением. Рокфеллер создал компанию, сделав вертикальную интеграцию: добыча сырой нефти, переработка и дистрибуция до домашних хозяйств; это была одна из крупнейших компаний за всю историю (Standard Oil).

Умная революция повторяет ту же модель: электричество — это сырая нефть. Оно есть в достатке, но его нужно надежно превращать в вычислительную мощность — а тут есть ограничения на передачу электроэнергии, охлаждение, подключение и лицензирование. Ценность заключается именно в «рафинировании электронов». Каждая дополнительная ступень владения повышает надежность, снижает стоимость и открывает пространство для прибыли — поэтому вертикальная интеграция усиливает сама себя.

Сверхкрупные компании в этой системе являются уровнем дистрибуции, а конечные потребители — вычислительные нагрузки. Однако структурная возможность заключается в том, чтобы владеть инфраструктурой, которую дистрибьюторы вынуждены покупать. Это создает новую категорию операторов энергетической инфраструктуры — игроков, которые контролируют генерацию, преобразование, охлаждение и хостинг в одном контуре.

Самое ясное выражение этого — вертикально интегрированные операторы на приватных рынках, такие как Crusoe и Lancium, и нативные вычислительные платформы на публичных рынках, такие как Iren и core Scientific, у которых уже есть самые сложные для тиражирования базовые элементы: энергия.

Компании, которые контролируют поток электронов к стойкам, строят самый глубокий ров в экономике ИИ. Программное обеспечение не может поглотить физическую инфраструктуру.