Gwałtowny rozwój sztucznej inteligencji ma swoją ukrytą cenę, a płacimy za nią wszyscy. Chodzi o ogromne ilości energii potrzebne do zasilania i chłodzenia centrów danych na całym świecie. Problem narasta w takim tempie, że niektóre korporacje technologiczne rozważają już budowę własnych elektrowni atomowych, by zabezpieczyć sobie dostawy prądu. W tej sytuacji każde odkrycie, które mogłoby zmniejszyć apetyt AI na energię, wzbudza naturalne zainteresowanie. Taką właśnie nadzieję wzbudzili naukowcy z University of Houston. Twierdzą oni, że opracowali specjalny materiał, który mógłby drastycznie zmniejszyć ilość ciepła generowanego przez układy scalone podczas pracy. Brzmi jak proste rozwiązanie skomplikowanego problemu, ale droga do niego prowadziła przez zaawansowaną chemię i metody nagrodzone ostatnio Noblem.
Energetyczny problem sztucznej inteligencji
Warto uświadomić sobie skalę tego zjawiska w liczbach, bo dopiero one pokazują, że nie mamy do czynienia z marginalnym problemem. Według szacunków IEA centra danych odpowiadają dziś za około 1,5-2 procent globalnego zużycia energii elektrycznej, a do końca dekady ich zapotrzebowanie może się co najmniej podwoić, dochodząc do blisko 945 TWh rocznie. Jest to poziom porównywalny z dużą gospodarką uprzemysłowioną, a nie kosztem ubocznym kilku aplikacji. Co więcej, analizy wskazują, że część krajów rozwiniętych może zużywać w 2030 roku więcej energii na przetwarzanie danych niż na całą tradycyjną produkcję energochłonną, taką jak cement, stal czy chemia.
Czytaj też: Naukowcy nagrali eksplodującą cząsteczkę. Fizyka właśnie stanęła na głowie
Nie bez znaczenia jest też to, jak ta energia jest wykorzystywana wewnątrz samego centrum danych. Wydawać by się mogło, że dominują czysto obliczeniowe zadania GPU i CPU, ale w praktyce ogromny udział w bilansie ma właśnie chłodzenie. Szacunki pokazują, że w mniej efektywnych obiektach systemy klimatyzacji i odprowadzania ciepła potrafią odpowiadać za 30-40 procent całości zużycia energii, a w skrajnych przypadkach jeszcze więcej. Każdy wat, którego nie trzeba zamienić w ciepło, ma więc podwójną wartość: oznacza mniejsze rachunki i mniej rozbudowane systemy chłodzenia, a przy okazji niższy ślad węglowy i mniejsze zużycie wody potrzebnej do odprowadzania ciepła.
Jest to konieczność, bo przegrzane chipy zwalniają, a ich żywotność gwałtownie spada. Powstaje więc błędne koło: im potężniejsze obliczenia, tym więcej ciepła, a im więcej ciepła, tym więcej energii potrzeba na jego odprowadzenie. Koszty tego procesu sięgają miliardów dolarów i wciąż rosną.
Lekki i porowaty izolator przyszłości
Rozwiązaniem tego problemu ma być opracowany przez zespół dwuwymiarowy izolator elektryczny. Jego kluczową cechą jest to, że nie magazynuje energii elektrycznej, co bezpośrednio przekłada się na mniejszą emisję ciepła. Materiał ten należy do klasy dielektryków o niskiej stałej dielektrycznej, powszechnie nazywanych materiałami low-k. Są to podstawowe izolatory wspierające przewodniki w układach scalonych, które umożliwiają przenoszenie szybkich, wysokoczęstotliwościowych sygnałów przy niskim poborze mocy i minimalnych zakłóceniach.
Ten nowy izolator został stworzony z węgla i innych lekkich pierwiastków, formując kowalencyjnie połączone struktury przypominające arkusze. Ich wewnętrzna budowa jest bardzo porowata i krystaliczna. Chociaż brzmi to skomplikowanie, to efekt jest prosty: sygnały elektryczne płyną przez chip szybciej i z mniejszymi opóźnieniami. Nowy materiał łączy bowiem w sobie dwie kluczowe cechy: ultraniską stałą dielektryczną oraz ultrawysoką wytrzymałość na przebicie elektryczne. Ta druga właściwość jest niezbędna do pracy pod wysokim napięciem w urządzeniach dużej mocy, a sam materiał zachowuje stabilność termiczną nawet wtedy, gdy temperatura w pracującym chipie zaczyna rosnąć.
Aby stworzyć cienkie warstwy tego dielektryka, zespół sięgnął po zaawansowaną metodę, bo “syntetyczną polimeryzacją międzyfazową”. Polega ona na rozpuszczeniu cząsteczek w dwóch niemieszających się cieczach, co finalnie pozwala na połączenie molekularnych bloków konstrukcyjnych w mocne, krystaliczne arkusze. Metodę tę odkryli i rozwinęli laureaci Nagrody Nobla w dziedzinie chemii z 2025 roku, a samo wykorzystanie tak ugruntowanego i docenionego narzędzia naukowego nie jest przypadkowe, bo zamiast tego znacznie zwiększa szanse na to, że proces produkcji będzie można skutecznie skalować.
Szansa i wyzwanie dla AI
Historia rozwoju elektroniki uczy, że prawdziwe przełomy rzadko wyglądają tak spektakularnie, jak lubi to przedstawiać marketing. Częściej są to pozornie niewielkie zmiany w materiałach, procesach czy architekturze, które dopiero po latach okazują się kluczowe. Cienka, dwuwymiarowa warstwa dielektryka z Houston idealnie wpisuje się w ten schemat. Nie rozwiąże z dnia na dzień wszystkich problemów energetycznych sztucznej inteligencji, nie zastąpi rozbudowy sieci przesyłowych ani dyskusji o źródłach wytwarzania energii. Może jednak sprawić, że każde wykonane obliczenie będzie odrobinę mniej “gorące”, a wiele takich drobnych oszczędności, zsumowanych w skali globalnej, zacznie robić ogromną różnicę.
Finalnie to, czy nowy materiał trafi do komercyjnych procesów produkcyjnych, zależy teraz w dużej mierze od przemysłu półprzewodnikowego. Presja ekonomiczna i regulacyjna sprzyja takim innowacjom jak rzadko kiedy wcześniej. Operatorzy centrów danych, producenci czipów i politycy szukają tego samego – sposobu, by dalej rozwijać AI bez ryzyka zablokowania sieci energetycznych i kolejnych opóźnień w odchodzeniu od paliw kopalnych. Jeżeli cienka powłoka z lekkich pierwiastków faktycznie pomoże choć trochę złagodzić ten konflikt, może się okazać, że jeden z ważniejszych rozdziałów historii sztucznej inteligencji dopiszą w ciszy laboratoria chemików materiałowych, a nie kolejna konferencja poświęcona “przełomowemu modelowi generatywnemu”.