داخل مركز بيانات للذكاء الاصطناعي

بقلم: مارك سميث

كثيرًا ما يحاول الناس مقارنة الذكاء الاصطناعي بالدماغ البشري، وهذا أمر مفهوم، لأننا نميل إلى فهم الأشياء الجديدة بمقارنتها بما نعرفه مسبقًا. لكن بينما يوجد الذكاء البشري كله في مكان واحد، داخل دماغ لا يزيد حجمه تقريبًا على حجم ثمرة غريب فروت كبيرة وقوامه يشبه الكاسترد السميك، فإن جانبًا كبيرًا من الذكاء الاصطناعي الحديث موزَّع في أنحاء العالم داخل مبانٍ ضخمة حافلةٍ بمعدات حوسبة متخصصة. وتُسمى هذه المباني مراكز البيانات Data centres.

توجد مراكز البيانات منذ سنوات، وهي في الأساس مبانٍ تُخزَّن فيها وتُعالج معظم المعلومات التي تُشغِّل الإنترنت والحوسبة السحابية Cloud computing. فالبريد الإلكتروني، والصور، والتطبيقات، ومنشورات وسائل التواصل الاجتماعي، وخدمات البث، والألعاب عبْر الإنترنت، كلها تعتمد على خوادمَ متصلة بأسلاك، توجد جميعها داخل ما هو في الواقع مجرد مستودعات ضخمة. عندما تفتح موقعًا إلكترونيًا أو تشاهد فيلمًا عبْر البث، يرسل جهازك طلبًا إلى أحد هذه الخوادم، فيعالج مركز البيانات هذا الطلب ويرسل المعلومات إليك مرة أخرى بصورة شبه فورية. لكن صعود الذكاء الاصطناعي AI أدى إلى ظهور نوع جديد من هذه المنشآت يُعرَف باسم مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي AI data centres. وعلى الرغم من أنها قد تبدو متشابهة من الخارج، فإن التكنولوجيا الموجودة بداخلها مختلفة تمامًا.

تخيل مركز البيانات التقليدي مكتبة تُحفظ فيها المعلومات إلى أن تطلبها؛ فعندما تطلب كتابًا، يُحضره لك أمين المكتبة. والأمر نفسه ينطبق على مركز البيانات؛ فعندما تطلب شيئًا، مثل تحميل موقع إلكتروني أو فتح تطبيق، يسترجع النظام البيانات ويقدمها لك. أما مركز بيانات الذكاء الاصطناعي فهو أقرب إلى فصل دراسي للذكاء الاصطناعي منه إلى مكتبة، لأنه بدلًا من أن يزودك بشيء مخزن مسبقًا، يستخدم البيانات لتدريب الذكاء الاصطناعي على إنتاج شيء جديد تمامًا. وقد يكون ذلك إجابة عن سؤال، أو صورة مولدة بالحاسوب، أو مقطع فيديو يظهر فيه ممثلك المفضل وهو يلعب كرة القدم مع سبايدرمان Spider-Man ودب قطبي مع رئيس أساقفة كانتربري Archbishop of Canterbury.

يمكنك أن تنظر إلى الأمر بهذه الطريقة: يستطيع مركز البيانات التقليدي تخزين كتاب افتراضي موجود بالفعل، أما مركز بيانات الذكاء الاصطناعي فيمكنه أن يؤلف لك كتابًا جديدًا بالكامل، وهذا يتطلب قدرة حاسوبية أكبر بكثير. ولأن مراكز البيانات هذه تؤدي مهامَّ مختلفة، فإن الأجهزة الموجودة داخلها تختلف بدورها. تُبنى مراكز البيانات التقليدية إلى حد كبير حول شرائح تُسمى وحدات المعالجة المركزية Central processing units (CPUs)، وهي المعالجات العادية التي تشغِّل معظم الحواسيب. تعمل وحدة المعالجة المركزية بطريقة تشبه مراقب الحركة الجوية، إذ تنسق مهام الحوسبة المختلفة وتستجيب للطلبات. فعندما تنقُر على رابط، أو تحمِّل صفحة ويب، أو تفتح تطبيقًا، تساعد وحدات المعالجة المركزية على استرجاع المعلومات اللازمة وتنظيمها لتنفيذ ذلك. وبحسب حجم مركز البيانات، قد تعمل مئات الآلاف، أو حتى ملايين، من وحدات المعالجة المركزية عبر رفوف الخوادم.

تعتمد مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي اعتمادًا كبيرًا على نوع مختلف من الشرائح يُسمى وحدة معالجة الرسومات Graphics processing unit (GPU). صُمِّمت هذه الوحدات في الأصل للتعامل مع العمليات الحسابية المعقدة اللازمة لتصيير Render الرسومات في ألعاب الفيديو، لكن العلماء أدركوا أنها مثالية أيضًا للذكاء الاصطناعي. يكمن الاختلاف الرئيسي في كيفية معالجتها للمعلومات، فقد صُمِّمت وحدات المعالجة المركزية للتعامل مع عدد قليل من المهام بسرعة كبيرة، بينما تحتوي وحدات معالجة الرسومات على آلاف من «أنوية» Cores المعالجة الأصغر، التي يمكنها إجراء عدد هائل من العمليات الحسابية في الوقت نفسه. وهذا النوع من «المعالجة المتوازية» Parallel processing، حيث تُجرى العمليات الحسابية كلها في الوقت نفسه بدلًا من تنفيذها واحدة تلو الأخرى، هو ما تحتاج إليه أنظمة الذكاء الاصطناعي، لأن تدريب نموذج للذكاء الاصطناعي يتضمن غالبًا تحليل مجموعات بيانات هائلة وإجراء بلايين، بل تريليونات، من العمليات الحسابية. تَستخدم بعض منشآت الذكاء الاصطناعي أيضًا رقائق متخصصة تُسمى وحدات معالجة الموترات Tensor processing units (اختصارًا: الوحدات TPUs)، طورتها شركات مثل غوغل خصيصًا لتسريع أعباء عمل التعلُّم الآلي. ولأن مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي مبنية على

تقنية مختلفة، فقد يبدو داخلُها مختلفًا كثيرًا عن مراكز البيانات التقليدية الموجودة منذ عقود. كثيرًا ما يشبه مركز البيانات التقليدي شيئًا من مسلسل ستار تريك Star Trek الأصلي في ستينيات القرن العشرين، مع صفوف من الأضواء الوامضة الممتدة بطول ممرات طويلة. وعادة ما تُرتَّب الخوادم في صفوف من الرفوف، تفصل بينها ممرات تسمح للفنيين بالتنقل وصيانة المعدات. أما مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي فمصمَّمة بصورة مختلفة. تعمل أنظمة الذكاء الاصطناعي على أفضل وجه عندما تتمكن آلاف وحدات معالجة الرسومات من التواصل بعضها مع بعض بسرعة كبيرة. ولتحقيق ذلك تُنظم الأجهزة في «عناقيد» Clusters متراصة بإحكام ومتصلة بكبلات شبكية فائقة السرعة. ولذلك، بدلًا من الصفوف المتباعدة بالتساوي، توجد «جزر» Islands كثيفة من رفوف الحوسبة المملوءة بوحدات معالجة الرسومات، والمترابطة بحُزم سميكة من الكبلات عالية السرعة. من الممكن أن تكون هذه الرفوف أثقل بكثير من خزائن الخوادم التقليدية، مما يعني أن منشآت الذكاء الاصطناعي قد تحتاج أحيانًا إلى أرضيات مقواة لتحمُّل الوزن الإضافي. قد لا يبدو ذلك أنيقًا، لكنه عالي الكفاءة. ومع استمرار توسع الذكاء الاصطناعي، ستتوسع أيضًا البنية التحتية اللازمة لدعمه. إذ تُنفق شركات تقنية عملاقة مثل مايكروسوفت Microsoft وأمازون Amazon ومنصات ميتا Meta Platforms بلايين الدولارات لبناء مراكز بيانات ضخمة جديدة في أنحاء العالم، تُشكل جميعُها أجزاء معقدة من «دماغ» الذكاء الاصطناعي.

الحوسبة الكمية تتلاقى مع الذكاء الاصطناعي

تُعَد الحوسبة الكمية Quantum computing والذكاء الاصطناعي من أكبر الإنجازات التقنية في تاريخ البشرية. فالحوسبة الكمية تستغل الخصائص الغريبة لعالم الكم دون الذري بطريقة تتيح للحواسيب إجراءَ العمليات الحسابية بسرعة تفوق الحواسيب التقليدية بكثير. وحتى الآن ظلت هذه التقنية إلى حد كبير في إطار التطوير، ومن أبرز التحديات التي تواجهها أن اللبنات الأساسية للحواسيب الكمية، المعروفة باسم الكيوبتات Qubits، لا تزال عُرضة للأخطاء. ومع ذلك أُحرز تقدم مطرد، من ذلك تطوير فرع غوغل للذكاء الاصطناعي الكمي Google Quantum AI لشريحة «ويلو» Willow. وقد ذكرت الشركة أن هذه الشريحة تُنجز في 5 دقائق مهامَّ تحتاج بعضُ أسرع الحواسيب التقليدية في العالم إلى 10 سبتيليون Septillion سنة (أي الرقم 10 يتبعه 25 صفرًا!) لإتمامها. ومن شأن الجمع بين الذكاء الاصطناعي والحوسبة الكمية أن يمكِّن الذكاء الاصطناعي من حل مشكلات معقدة في ثوانٍ بدلًا من سنوات.

مصادر الطاقة

المفاعلات النووية الصغيرة

يُنظَر بصورة متزايدة إلى المفاعلات النووية المعيارية Modular reactors الصغيرة بوصفها حلًا واعدًا قد يُحدث تحولًا كبيرًا في مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي، بفضل قدرتها على توفير طاقة مستقرة وخالية من انبعاثات الكربون. لكنها لا تزال تواجه عقبات تتعلق بالموافقات التنظيمية وارتفاع تكاليف الإنشاء الأولية.

الشبكة الوطنية

تُوفر الشبكات الوطنية إمدادًا مستقرًا بالطاقة، لكن الاحتياجات الهائلة لمراكز البيانات من الكهرباء تفرض عليها أعباء كبيرة.

الطاقة المتجددة

تُسهم مصادر الطاقة المتجددة، مثل الطاقة الشمسية، في خفض البصمة الكربونية، لكنها تحتاج إلى أن تكون واسعة النطاق لتتمكن من المساهمة في تزويد مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي بالطاقة.

مقر الذكاء الاصطناعي

من أنظمة التبريد إلى كبلات الطاقة، يضم مركز بيانات الذكاء الاصطناعي أكثر بكثير من مجرد رقائق حاسوبية

1 أجهزة تكييف الهواء Air conditioners

يُعَد الحفاظ على انخفاض درجة الحرارة أمرًا أساسيًا، إذ يساعد التبريد بالهواء أو بالسوائل على إبقاء جميع المكونات ضِمن الحدود الحرارية المقبولة.

2 تخزين البطاريات Battery storage

إذا تعطلت الشبكة الرئيسية وحدث انقطاع في الكهرباء، تبدأ هذه البطاريات في العمل لتوفير طاقة احتياطية قصيرة الأمد لاستمرار العمليات.

3 وحدات توزيع الطاقة Power distribution units

توزِّع هذه الوحدات الطاقةَ من مصدر التغذية الرئيسي إلى رفوف الخوادم الفردية وغيرها من المعدات في أنحاء المركز.

4 رفوف الخوادم عالية السعة High-capacity server racks

تضم هذه الرفوف فعليًا الخوادم ومعدات الشبكات، وقد صُمِّمت جميعها لتحمُّل الأوزان الكبيرة وتلبية احتياجات تدفق الهواء.

5 معدات الاتصال بالشبكة Network connectivity gear

يتضمن هذا الإعداد المحولات والموجِّهات Routers التي تدير تدفق حركة البيانات داخل المركز، وتربطه بالشبكات الخارجية.

6 وحدات توزيع سائل التبريد Liquid-cooling distribution units

تعمل هذه الوحدات على تدوير سائل التبريد مباشرةً إلى رفوف الخوادم عالية الكثافة، لإدارة الأحمال الحرارية الشديدة الناتجة عن الكم الهائل من الأجهزة.

7 المحول الكهربائي Transformer

يغيَّر جهدُ مصدر الطاقة إلى المستويات

المناسبة لمختلف مكونات مركز البيانات.

8 معدات المفاتيح الكهربائية Switch Gear

مجموعة مركزية من المفاتيح والمصاهر وقواطع الدائرة، تحمي المعدات الكهربائية داخل المركز وتتحكم فيها وتعزلها.

---

600

عدد مراكز البيانات في ولاية فرجينيا، التي تضم أكبر تجمع لها في العالم.

في العام 2024، صَنَّفت المملكة المتحدة مراكزَ البيانات رسميًا بوصفها بنية تحتية وطنية حيوية

1,200 واط

مقدار الطاقة التي تستهلكها وحدة معالجة الرسومات من شركة إنفيديا، بلاكويل بي 200 Blackwell B200 GPU

مليونا لتر

يمكن لمركز بيانات بقدرة 100 ميغاواط أن يستهلك يوميًا كمية من المياه تعادل تقريبًا حجم مسبح أولمبي.

6.4 تريليون لتر

الاستهلاك التقديري للمياه في مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي بحلول العام 2027.

2.2 غيغاواط

يُمكن لمركز بيانات عملاق واحد للذكاء الاصطناعي أن يستهلك طاقةً تُعادل استهلاك مليون منزل.

إذا تعطلت أنظمة التبريد، فإن اجتماع الحرارة والرطوبة قد يؤدي فعليًّا إلى حدوث «مطر داخلي»

5 حقائق عن ماذا يمكنها أن تفعل؟

1 توليد البيانات الاصطناعية

يجب «تدريب» الذكاء الاصطناعي على البيانات حتى يتمكن من التحسن. ويمكن لمراكز البيانات توليد «بيانات اصطناعية» عندما لا تتوافر بيانات حقيقية. فمثلًا تتدرب السيارات ذاتية القيادة على سيناريوهات طرق مُحاكية.

2 محاكاة اكتشاف الأدوية

تستخدم شركات الأدوية مراكزَ بيانات الذكاء الاصطناعي لإجراء أعداد هائلة من عمليات المحاكاة الجزيئية، للتنبؤ بكيفية تفاعل الأدوية الجديدة مع البروتينات قبل اختبارها في المختبر، مما يسرِّع الأبحاث الطبية المهمة.

3 تحسين شبكة الطاقة

تُحلل نماذج الذكاء الاصطناعي العاملة في مراكز البيانات أنماطَ الطلب على الكهرباء وتوقعات الطقس، لمساعدة شركات الطاقة على موازنة العرض والطلب وتقليل هدر الطاقة.

4 الترجمة اللغوية في الزمن الحقيقي

تستخدم كثير من منصات البث والخدمات عبْر الإنترنت ذكاءً اصطناعيًا مستضافًا في مراكز البيانات لتوليد الترجمات النصية والترجمات اللغوية والدبلجة الصوتية تلقائيًّا للمحتوى بلغات متعددة.

5 نمذجة التوأم الرقمي

تُساعد مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي على إنشاء توائم رقمية، وهي نسخ افتراضية من المصانع أو المدن أو الآلات. ويُجري المهندسون محاكاة على هذه النماذج للتنبؤ بالأعطال، وتحسين التصميمات، أو اختبار التغييرات.

---

الحفاظ على برودة الأشياء مع توفير الطاقة

تأتي كل هذه القدرة الحاسوبية للذكاء الاصطناعي بكلفة، تتمثل في الكمية الهائلة من الكهرباء اللازمة لتشغيلها. ويُعَد توفير هذه الطاقة الكهربائية، ثم الحفاظ على برودة جميع المكونات في أثناء مرور تلك الطاقة فيها، أحد أكبر التحديات التي تواجه هذه المنشآت الضخمة. قد يحتاج تشغيل مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي الكبيرة إلى مئات الميغاواط من الطاقة، وهو مقدار يعادل ما قد تحتاج إليه مدينة صغيرة. فوفقًا لوكالة الطاقة الدولية، يرتفع الطلب على الكهرباء من مراكز البيانات بسرعة، ويُتوقع أن يكون الذكاء الاصطناعي أحد أسباب هذا النمو. وقد أثار ناشطون بيئيون مخاوف متزايدة بشأن أثر هذا التوسع في استهلاك الطاقة، ويدفع كثير منهم شركات التقنية إلى زيادة استثماراتها في مشروعات الطاقة المتجددة للمساعدة على تشغيل هذه المراكز وتقليل استخدام الوقود الأحفوري.

يعرف كلُّ من ترك حاسوبًا محمولًا يعمل مدة طويلة أن الكهرباء تولِّد حرارة. وتواجه مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي المشكلة ذاتَها، لكن على نطاق أكبر بكثير. فعندما تعمل آلاف الرقائق القوية بكامل طاقتها، يمكن أن ترتفع درجات الحرارة داخل الخوادم بسرعة. وإذا لم تُزَل هذه الحرارة، فقد تتباطأ الأجهزة أو تتوقف عن العمل تمامًا. كثيرًا ما تعتمد مراكز البيانات التقليدية على مراوح قوية لتدوير الهواء المبرد عبر رفوف الخوادم. لكن لأن أجهزة الذكاء الاصطناعي متراصة بإحكام شديد، تتجه منشآت حديثة كثيرة إلى التبريد بالسوائل. وفي هذه الأنظمة، يتدفق سائل التبريد عبر أنابيب أو ألواح معدنية موضوعة مباشرةً بجوار الرقائق، فينقل الحرارة بعيدًا بكفاءة تفوق الهواء بكثير. بل إن بعض التصميمات التجريبية تغمر الخوادم بكاملها في سوائل تبريد خاصة.

مراكز بيانات ضخمة للذكاء الاصطناعي

داخل نظام التبريد بالسوائل

تُعَد السوائل عنصرًا بالغ الأهمية في الحفاظ على درجات الحرارة الهائلة داخل الخوادم تحت السيطرة

1 الخوادم/الرفوف Servers/Racks

تُعَد الخوادم هي المصدر الرئيسي لتوليد الحرارة في مراكز البيانات.

2 الممر البارد Cold aisle

يُوجَّه الهواء البارد إلى الواجهة الأمامية لرفوف الخوادم لتبريد المعدات

3 الممر الساخن Hot aisle

يُطرَد الهواء الساخن من الجهة الخلفية للخوادم، ثم يرتفع إلى ممر ساخن معزول.

4 وحدات التبريد الداخلية Indoor cooling units

تَسحب هذه الوحدات الهواءَ الساخن من الممر الساخن، وتستخدم عملية تبادل حراري لتبريده قبل إعادته إلى الممر البارد.

5 أبراج/مكثفات التبريد الخارجية Outdoor cooling towers/condensers

تطرح هذه الوحدات الحرارةَ من دائرة السائل إلى الغلاف الجوي الخارجي.

6 دائرة المبرِّد/السائل Refrigerant/Fluid loop

تَنقل هذه الدائرة المغلقة الحرارةَ من وحدات التبريد الداخلية إلى وحدات التبريد الخارجية.

---