Hàng tỷ lít nước sạch đang bốc hơi lên bầu trời mỗi năm từ các trung tâm dữ liệu khổng lồ. Không phải máy móc ngâm trong nước, mà một quy luật vật lý khắc nghiệt đang âm thầm vận hành, biến công nghệ thành bài toán đánh đổi lớn.

Mỗi khi một dự án trung tâm dữ liệu quy mô lớn được công bố, dư luận thường đổ dồn sự chú ý vào những con số giật gân về lượng nước tiêu thụ. Nhiều người hình dung ra cảnh tượng hàng triệu gallon nước được bơm xối xả qua những dàn máy chủ tối tân như dòng nước làm mát động cơ, rồi biến mất hoàn toàn vào bên trong các con chip điện tử.

Trên thực tế, bức tranh đó hoàn toàn sai lệch. Máy chủ không bao giờ bị dính nước. Mọi dòng chất lỏng tại các cơ sở này đều chảy trong hệ thống ống kín, và phần lớn lượng nước thất thoát thực chất đã bay thẳng lên bầu trời dưới dạng hơi từ những tháp giải nhiệt trên tầng mái.

Vào những buổi sáng se lạnh, người ta dễ dàng bắt gặp những cột khói trắng bốc lên cuồn cuộn phía trên các tòa nhà điện toán, một hiện tượng thường bị lầm tưởng là khói của hỏa hoạn.

Bản chất của câu chuyện không nằm ở chỗ nước đã biến đi đâu, mà là vì sao các doanh nghiệp công nghệ lại chủ động xả hàng tỷ lít nước sạch vào không khí. Lời giải đáp bắt nguồn từ một quy luật vật lý cơ bản: nhiệt ẩn hóa hơi.

Hiện tại, riêng hệ thống trung tâm dữ liệu tại Mỹ đã ngốn hơn 4% tổng sản lượng điện quốc gia. Hầu như toàn bộ lượng điện năng khổng lồ này, sau khi vận hành hàng tỷ bóng bán dẫn trên các phiến silicon, đều biến thành nhiệt năng. Nếu không nhanh chóng đẩy nguồn nhiệt đó ra ngoài, hệ thống máy tính sẽ lập tức hư hỏng.

Để tản nhiệt hiệu quả và tiết kiệm chi phí nhất, các kỹ sư buộc phải tận dụng quá trình bay hơi của nước. Theo các tính toán nhiệt động lực học, việc làm nóng một kilôgam nước lên thêm 10 độ C chỉ hấp thụ khoảng 42 kilojoule năng lượng. Thế nhưng, nếu để một kilôgam nước đó chuyển hóa thành thể khí ở nhiệt độ 30 độ C, nó sẽ rút đi một lượng nhiệt lên tới 2.430 kilojoule - tức gấp khoảng 58 lần.

Với mỗi kilowatt-giờ điện tương đương 3.600 kilojoule nhiệt lượng tỏa ra, tháp giải nhiệt chỉ cần làm bay hơi khoảng 1,5 lít nước là có thể giải tỏa toàn bộ số nhiệt này. Nếu chọn phương pháp dẫn nước vào làm nóng rồi xả đi, lượng nước cần dùng sẽ phải tăng lên gấp gần sáu mươi lần.

Trong thực tế vận hành, tháp giải nhiệt là những khối thiết bị cơ khí đặt trên nóc tòa nhà, phun nước nóng từ phòng máy chủ qua các màng nhựa tổ ong để quạt gió hút khí trời xuyên qua. Khoảng 80% lượng nước lấy vào sẽ bay hơi để làm mát phần nước còn lại, 20% còn lại buộc phải xả đáy định kỳ nhằm loại bỏ lượng muối khoáng kết tụ, tránh làm đóng cặn và tắc nghẽn đường ống.

Năm 2023, các trung tâm dữ liệu tại Mỹ đã làm bốc hơi khoảng 66 tỷ lít nước tại chỗ. Tuy nhiên, mức độ hao phí thực tế tại từng vùng có sự phân hóa rất lớn. Một số nhà vận hành đám mây lớn đạt mức trung bình 1 lít cho mỗi kilowatt-giờ nhờ tận dụng gió trời, nhưng tại các vùng khí hậu khắc nghiệt như mùa hè ở bang Arizona, con số này có thể vọt lên tới 9 lít cho mỗi kilowatt-giờ.

Nhiều người đặt câu hỏi tại sao không dùng trực tiếp không khí bên ngoài để làm mát. Rào cản lớn nhất nằm ở giới hạn vật lý của nhiệt độ bầu ướt - mức nhiệt thấp nhất có thể đạt được nhờ bay hơi trong một điều kiện độ ẩm nhất định.

Khi độ ẩm không khí tăng cao hoặc nhiệt độ môi trường vượt quá ngưỡng 29 độ C, các khối tản nhiệt khô hoàn toàn mất tác dụng, buộc hệ thống giải nhiệt bay hơi phải can thiệp.

Một khía cạnh then chốt khác thường bị bỏ quên trong các cuộc tranh luận về môi trường chính là dấu chân nước gián tiếp. Sự bốc hơi tại các cơ sở máy chủ thực chất chỉ là bề nổi của tảng băng chìm.

Phần lớn điện năng cung cấp cho hạ tầng số đều bắt nguồn từ các nhà máy nhiệt điện - nơi nước liên tục bị đun sôi thành hơi để chạy tuabin rồi lại bốc hơi qua các tháp ngưng tụ khổng lồ. Năm 2023, lượng nước bốc hơi gián tiếp từ các nhà máy điện cấp nguồn cho trung tâm dữ liệu tại Mỹ lên tới gần 800 tỷ lít, tức cao gấp 12 lần lượng nước tiêu thụ trực tiếp tại chỗ.

Ngay cả câu chuyện về việc các mô hình trí tuệ nhân tạo như ChatGPT gây tiêu tốn tài nguyên cũng phản ánh rõ cơ chế này. Các nghiên cứu ước tính mô hình GPT-3 cần khoảng 500 mililít nước cho 10 đến 50 phản hồi thông thường.

Đáng chú ý, chỉ có vỏn vẹn khoảng 2 mililít nước bốc hơi tại máy chủ xử lý thuật toán, trong khi có tới 15 mililít nước đã bốc hơi tại nhà máy phát điện. Cơn khát của trí tuệ nhân tạo, suy cho cùng, chính là cái bóng của mức tiêu thụ điện năng ẩn giấu phía sau.

Trước sức ép từ cộng đồng, các tập đoàn công nghệ đang tìm cách điều chỉnh nhưng không thể xóa bỏ được sự đánh đổi. Microsoft cam kết thế hệ trung tâm dữ liệu mới của họ vận hành từ cuối năm 2027 sẽ loại bỏ hoàn toàn việc dùng nước làm mát bằng cách sử dụng vòng tuần hoàn chất lỏng khép kín, song điều này đồng nghĩa với việc mức tiêu thụ điện năng bắt buộc phải gia tăng.

Các hướng đi khác như chuyển sang dùng nước thải xử lý, nước công nghiệp, nước biển, hoặc di dời hạ tầng máy chủ về các quốc gia lạnh giá như Phần Lan cũng chỉ là cách chuyển dịch chi phí sang nguồn điện hoặc bài toán hạ tầng đường truyền. Cột hơi nước trắng xóa trên nóc các tòa nhà dữ liệu, rốt cuộc, chỉ là phần hữu hình duy nhất của một cái giá rất đắt mà nền kinh tế số đang phải trả.