Проблема «стены памяти» и нехватки энергомощностей в сфере ИИ: структурные ограничения в американо-китайской конкуренции в области инфраструктуры и их политические импликации

Резюме

Парадигма масштабирования, лежащая в основе расширения моделей ИИ, сталкивается с физическими ограничениями, а именно с пропускной способностью памяти и энергоснабжением. Компания «Нвидиа» сократила проект своего ускорителя «Рубин Ультра» с 12-стековой до 8-стековой конфигурации памяти с высокой пропускной способностью (HBM) из-за ограничений в поставках, в то время как китайские полупроводниковые компании резко повышают цены на ускорители из-за того же «узкого места». «Хуавэй» пытается преодолеть этот разрыв с помощью технологии оптических межсоединений, бросая вызов стандартам, ориентированным на «Нвидиа» и «Бродком», своим собственным проприетарным модулем оптики, размещенной вблизи кристалла (NPO), со скоростью 7,2 Тбит/с. Это событие смещает линию фронта технологической конкуренции между США и Китаем с производительности графических процессоров (ГП) на борьбу за стандарты межсоединений и корпусирования. Это «узкое место» также влияет на скорость развертывания ИИ Министерством обороны США для обнаружения ракетных и космических угроз. В базовом сценарии, при котором сохраняются ограничения по мощности и памяти, конкуренция за ресурсы между оборонным сектором и коммерческой экосистемой ИИ неизбежна. Южная Корея сталкивается как с сопутствующими выгодами, так и с рисками в цепочке поставок HBM, и любое решение об участии в стандарте «Хуавэй» должно предваряться правительственной оценкой рисков, связанных с экспортным контролем США, а не оставаться на усмотрение частного сектора.

I. Ситуационный анализ

Проблема «стены памяти» и нехватки энергомощностей в развитии ИИ: структурные ограничения в американо-китайской конкуренции в области инфраструктуры ИИ

1. Предыстория и развитие событий

Физические пределы масштабирования моделей ИИ выходят на передний план в отрасли. Это так называемая проблема «стены памяти»: разрыв между скоростью, с которой графические процессоры выполняют вычисления, и скоростью, с которой память может поставлять данные. Израильское издание «Глобс» отметило, что эта проблема «вынуждает к неустойчивому энергопотреблению, при котором необходимость развертывания большого количества ГП растет в геометрической прогрессии» [12]. Когда процессор достигает этого потолка памяти, он «простаивает, сжигая энергию впустую половину времени, просто ожидая поступления данных» [12].

Это «узкое место» впервые стало заметным в отдельных сегментах цепочки поставок полупроводников. Тайваньское издание «ДиджиТаймс Эйша» сообщило, что ускоритель следующего поколения от «Нвидиа», «Рубин Ультра», был сокращен с первоначальной 12-стековой конструкции памяти с высокой пропускной способностью (HBM) до 8-стековой версии. Сообщается, что это изменение было вызвано ростом стоимости HBM, что привело к созданию конструкции, в которой приоритет отдается эффективности использования пропускной способности [17]. То же издание также сообщило, что китайские полупроводниковые компании, бросающие вызов «Нвидиа», резко повышают цены на свои ускорители текущего и следующего поколений из-за дефицита HBM. Это добавляет еще одно ограничение по стоимости к стремлению Китая создать собственное вычислительное оборудование [14].

Китай решил обойти это «узкое место» с помощью оптических технологий. На Китайской международной оптоэлектронной выставке (CIOE) в Шэньчжэне компания «Хуавэй» представила, по ее утверждению, первый в отрасли модуль оптики, размещенной вблизи кристалла (NPO), со скоростью 7,2 терабит в секунду (Тбит/с). Этот подход заменяет медные провода оптическими сигналами для увеличения скорости передачи данных между процессорами ИИ [1]. Газета «Нихон кэйдзай симбун» охарактеризовала это как «вызов „Нвидиа“ и „Бродком“», проанализировав это как попытку «Хуавэй» обеспечить себе большее влияние в новой области производства микросхем, которая может определить будущее вычислений для ИИ следующего поколения [9]. Аналогичным образом, тайваньское издание «ДиджиТаймс Эйша» оценило, что «Хуавэй» не просто выпускает новый продукт, но и пытается «создать новый стандарт оптических межсоединений, поскольку кластеры ИИ достигают своих пределов» [5].

2. Текущая ситуация

Заявление «Хуавэй» весьма символично, поскольку оно прозвучало на фоне экспортного контроля США в отношении полупроводников, поставляемых в Китай. Шаг «Хуавэй», направленный на то, чтобы бросить вызов существующим стандартам в области оптики и межсоединений, которые сосредоточены вокруг «Нвидиа» и «Бродком», с помощью собственных проприетарных спецификаций, является продолжением стратегии Китая по сокращению технологического разрыва с использованием обходных технологий, учитывая его ограниченный доступ к передовым ГП. Однако, как подтверждает «ДиджиТаймс Эйша», «Хуавэй» и другие китайские фирмы не застрахованы от общего ограничения, связанного с дефицитом HBM [14].

Проблема нехватки энергомощностей имеет более широкие географические последствия. Брюссельский аналитический центр «Брейгель» оценил, что внутренние вычислительные мощности ЕС для ИИ составляют всего 2 гигаватта, или 5% от общемирового показателя, и что запланированные проекты мало что сделают для сокращения этого разрыва. Это указывает на структурную невыгодность положения Европы, поскольку собственная вычислительная инфраструктура является необходимым условием для суверенитета в области ИИ [6]. Аналогичным образом, немецкая консалтинговая фирма «Роланд Бергер» проанализировала, что Европа все больше отстает в динамике «победителей и проигравших», созданной бумом центров обработки данных [4]. Фонд Карнеги за международный мир утверждает, что физические ограничения энергоснабжения и данных для обучения ставят под сомнение устойчивость самой парадигмы масштабирования, представляя это ограничение как проблему, присущую технологической парадигме [13].

Проблемы с энергетической инфраструктурой также перерастают в уязвимости в сфере безопасности. Брукингский институт сообщил, что в марте три центра обработки данных «Амазон Веб Сервисез» (AWS) на Ближнем Востоке были повреждены в результате атаки беспилотников, которую Иран назвал «Операция „Эпическая ярость“». Сообщается, что атака привела к отключению электроэнергии, срабатыванию систем пожаротушения и повреждению водой. Иранские государственные СМИ заявили, что объект в Бахрейне был выбран целью, поскольку он обеспечивал функции поддержки для американских военных [2]. Этот инцидент демонстрирует, что передовые центры обработки данных ИИ, построенные за рубежом, могут стать целями для физических атак, что говорит о том, что секьюритизация вычислительной и энергетической инфраструктуры уже началась.

3. Ключевые участники и их позиции

«Хуавэй» (Китай)использует свою технологию оптических модулей для компенсации отставания в области передовых ГП, возникшего в результате экспортного контроля США, стремясь занять доминирующее положение в стандартах межсоединений. Как отмечает «Нихон кэйдзай симбун», это не просто конкуренция продуктов, а борьба за лидерство в стандартах, которая «может определить будущее вычислений для ИИ следующего поколения» [9]. Между тем, китайские полупроводниковые компании в более широком смысле сталкиваются с дефицитом поставок HBM и прибегли к защитной мере повышения цен [14].

«Нвидиа» (США)реагирует на рост стоимости HBM, изменяя дизайн своей продукции. Решение сократить конструкцию «Рубин Ультра» с 12-стековой до 8-стековой конфигурации HBM отражает приоритет эффективности использования пропускной способности и экономики системы [17]. Это показывает, что даже крупные технологические компании США не застрахованы от «узкого места» в области памяти.

Министерство обороны СШАпродвигает оперативное развертывание ИИ, несмотря на эти инфраструктурные ограничения. «Дифенс Ньюс» сообщает, что Министерство обороны стремится к внедрению ИИ для выявления ракетных и космических угроз, стремясь преодолеть проблемы противоракетной обороны — такие как высокоскоростные объекты, короткое время реагирования и неоднозначные данные с датчиков — с помощью искусственного интеллекта [16]. Оборонные стартапы также внедряют системы ИИ, предназначенные для максимизации эффективности каждого боеприпаса [19]. Однако в конечном счете темпы этого развертывания будут ограничены инфраструктурными «узкими местами» в доступности ГП и энергоснабжении.

Народно-освободительная армия Китая (НОАК)сама признала, что ее военные применения ИИ по-прежнему ограничиваются вспомогательными ролями. Согласно отчету Института Восточной Азии (EAI), исследователи из Шаньдунского корпуса Народной вооруженной полиции Китая признали, что военный ИИ НОАК сосредоточен во «вспомогательных областях, таких как интеллектуальные системы вопросов и ответов и генерация контента», в то время как его наступательные боевые применения все еще находятся на стадии исследования [11]. Этот разрыв анализируется как структурная проблема, проистекающая не из-за отсутствия технологий, а из-за политической осторожности, связанной с отношениями между партией и армией и делегированием командных полномочий [11]. Брукингский институт также отметил, что Силы стратегической поддержки (ССП) НОАК проводят агрессивную инновационную стратегию с целью стать ведущей мировой державой в области ИИ к 2030 году [10].

Европа (страны-члены ЕС и компании)ищет способы обеспечить свою автономию на фоне структурного дефицита вычислительной инфраструктуры. Аналитический центр «Брейгель» рекомендовал ЕС максимизировать свои внутренние вычислительные мощности, независимо от страны происхождения технологии [6].

4. Ключевые вопросы

Проблема «стены памяти» и нехватки энергомощностей стали следующим фронтом, который может определить исход американо-китайской конкуренции в области ИИ. Оптический модуль «Хуавэй» представляет собой попытку установить доминирующий стандарт не в производительности самих ГП, а в альтернативном пути передачи данных между ГП. Это показывает, что существуют области, которые экспортный контроль США в отношении полупроводников не может эффективно сдерживать.

В то же время это «узкое место» симметрично затрагивает США и их союзников. Сокращение масштабов проекта «Нвидиа» и нехватка вычислительных мощностей в ЕС подтверждают, что это не односторонняя проблема. Как предполагает Фонд Карнеги за международный мир, если физические ограничения мощности и данных обнажат пределы самой парадигмы масштабирования, фокус конкуренции может сместиться с вопроса «кто сможет обеспечить больше ГП» на вопрос «кто сможет первым построить архитектуру, обходящую это „узкое место“» [13].

В оборонном секторе эти инфраструктурные ограничения являются ключевой переменной, определяющей темпы оперативного развертывания. Как проект Министерства обороны США по использованию ИИ для обнаружения ракетных и космических угроз [16], так и стремление НОАК к интегрированному командованию и управлению [11] в конечном счете зависят от обеспечения достаточных вычислительных и энергетических ресурсов. Более того, атака Ирана на центры обработки данных AWS [2] демонстрирует, что сама инфраструктура ИИ может стать физической целью, подчеркивая безопасность инфраструктуры как новую уязвимость в гонке военных ИИ.

II. Углубленный анализ

Проблема «стены памяти» и нехватки энергомощностей в развитии ИИ: структурные ограничения в американо-китайской конкуренции в области инфраструктуры ИИ

1. Анализ первопричин

Проблема «стены памяти» берет свое начало в давней асимметрии в полупроводниковой промышленности. В то время как вычислительная производительность неуклонно росла благодаря закону Мура и достижениям в области распараллеливания, пропускная способность передачи данных между памятью и процессорами не поспевала за этим ростом. Как объясняет отраслевой источник, цитируемый «Глобс», развертывание ГП в больших масштабах приводит к тому, что «энергопотребление увеличивается в геометрической прогрессии», однако сами процессоры «простаивают половину времени, просто ожидая поступления данных» [12]. Это результат структурного расхождения между вычислительной мощностью и способностью поставлять данные.

Этот разрыв недавно проявился в виде дефицита поставок HBM. Даже «Нвидиа» понизила конфигурацию HBM для своего ускорителя «Рубин Ультра» с запланированной 12-стековой до 8-стековой конструкции, что является изменением, в котором приоритет отдается эффективности использования пропускной способности и экономике системы [17]. Ситуация еще более сложная для китайских полупроводниковых компаний, бросающих вызов «Нвидиа». Поскольку HBM становится все более дефицитной и дорогой, они резко повышают цены на свои ускорители текущего и следующего поколений [14]. Для Китая, который стремится продвигать свое отечественное вычислительное оборудование, это представляет собой двойную проблему: ограничение по стоимости накладывается на уже существующий технологический разрыв.

Первопричина нехватки энергомощностей иная. Спрос на электроэнергию для обучения и работы моделей ИИ опережает расширение глобальной энергосистемы для центров обработки данных. Фонд Карнеги за международный мир отметил, что «неясно, как долго разработчики смогут продолжать масштабирование из-за ограничений в энергоснабжении и данных для обучения» [13]. Это говорит о том, что фундаментальный подход к увеличению моделей путем добавления большей вычислительной мощности сам по себе упирается в физическую стену. Это не проблема проектирования полупроводников, а ограничение совершенно иного уровня: энергетическая инфраструктура, в частности, мощности по выработке и передаче электроэнергии.

2. Структурный контекст

Структура технологической конкуренции: Представление компанией «Хуавэй» своего модуля NPO со скоростью 7,2 Тбит/с является ответом на институциональное ограничение в виде экспортного контроля США в отношении полупроводников. Это представляет собой попытку Китая, которому заблокирован доступ к передовым ГП, найти обходной путь с использованием технологии межсоединений, которая заменяет медные провода оптическими сигналами [1]. «Нихон кэйдзай симбун» охарактеризовала это как «вызов „Нвидиа“ и „Бродком“», шаг «Хуавэй» для обеспечения большего влияния в области производства микросхем, которая может диктовать будущие стандарты вычислений для ИИ [9]. «ДиджиТаймс Эйша» аналогичным образом оценила, что «Хуавэй» не просто выпускает новый продукт, но и пытается «создать новый стандарт оптических межсоединений, поскольку кластеры ИИ достигают своих пределов» [5]. Эта конкуренция за установление стандартов представляет собой новый фронт в американо-китайском технологическом соперничестве. Фокус смещается с производительности отдельных полупроводников на вопрос о том, кто установит правила для спецификаций межсоединений и корпусирования.

Военная структура и структура безопасности: Это «узкое место» напрямую связано со скоростью оперативного развертывания оборонного ИИ. Ключевым примером является инициатива Министерства обороны США по внедрению ИИ для обнаружения ракетных и космических угроз. Цель состоит в том, чтобы использовать ИИ для облегчения нагрузки на операторов-людей, которым приходится иметь дело с «высокоскоростными объектами, короткими временными рамками и нечеткими данными с датчиков» в боевых сценариях [16]. Однако такой ИИ для командования и управления в реальном времени требует огромных вычислительных ресурсов и стабильного электроснабжения. Если проблема «стены памяти» и нехватки энергомощностей сохранится, темпы расширения оборонного ИИ будут по своей сути ограничены. Аналогичная ситуация и в Китае. Брукингский институт проанализировал, что НОАК проводит агрессивную инновационную стратегию, чтобы стать ведущей мировой державой в области ИИ к 2030 году [10]. Тем не менее, согласно анализу EAI, даже исследователи в самой НОАК оценили, что их «военные применения ИИ по-прежнему ограничиваются вспомогательными областями, такими как интеллектуальные системы вопросов и ответов и генерация контента», а наступательное боевое применение все еще находится на стадии исследования [11]. Этот разрыв анализируется как «структурная проблема, проистекающая не из-за отсутствия технологий, а из-за политической осторожности, связанной с отношениями между партией и армией и делегированием командных полномочий» [11]. В сочетании с «узким местом» в вычислительных мощностях эта политическая осторожность может вдвойне замедлить прогресс НОАК в милитаризации ИИ.

Структура цепочки поставок и экономической безопасности: Дефицит HBM является общей проблемой, затрагивающей как Соединенные Штаты, так и Китай. Учитывая, что поставки HBM настолько ограничены, что даже «Нвидиа» была вынуждена сократить свои проекты, положение китайских фирм, чей доступ к передовой памяти уже ограничен экспортным контролем, еще более затруднительно [14][17]. Это дает Китаю сильный стимул сделать ставку на альтернативный путь в гонке за пропускной способностью памяти: оптические межсоединения. В этом контексте представление «Хуавэй» своего модуля NPO функционирует как промышленная стратегия и как стратегия обхода цепочки поставок.

Структура геополитической уязвимости: Физическая концентрация вычислительной инфраструктуры создает новые уязвимости в сфере безопасности. Брукингский институт обратил внимание на мартовский инцидент, в ходе которого три центра обработки данных AWS на Ближнем Востоке получили структурные повреждения в результате атаки иранского беспилотника. Атака привела к отключению электроэнергии, активации систем пожаротушения и дополнительному ущербу от воды [2]. Иранские государственные СМИ заявили, что Корпус стражей исламской революции нацелился на объект в Бахрейне из-за его роли в поддержке американских военных [2]. Этот инцидент демонстрирует, что по мере строительства большего количества инфраструктуры ИИ за рубежом, площадь, подверженная таким физическим атакам, растет. Это создает парадоксальную ситуацию, когда само расширение инфраструктуры, направленное на решение проблем с энергоснабжением и памятью, порождает новые риски для безопасности.

Структура региональных диспропорций: Конкуренция за вычислительную инфраструктуру выходит за рамки американо-китайской дуополии. Аналитический центр «Брейгель» оценил, что внутренние вычислительные мощности ЕС для ИИ составляют всего около 2 гигаватт, что составляет лишь 5% от общемирового показателя, и что запланированные проекты мало что сделают для сокращения этого разрыва [6]. Это подчеркивает, что, хотя Европа считает собственную вычислительную инфраструктуру необходимым условием для суверенитета в области ИИ, она начинает с позиции структурной невыгодности. «Роланд Бергер» также проанализировал, что Европа все больше отстает в динамике «победитель получает все» в условиях бума центров обработки данных [4]. Это предполагает риск того, что может укорениться структура, в которой третий полюс будет отставать в гонке за вычислительной инфраструктурой, возглавляемой Соединенными Штатами и Китаем.

3. Исторические прецеденты и сравнительные примеры

В полупроводниковой промышленности нередко случается, что «узкое место» становится ареной для конкуренции стандартов. Появление самой HBM следовало аналогичной схеме, поскольку это была попытка обойти ограничения пропускной способности обычной памяти DDR с помощью технологии 3D-компоновки. Нынешнее продвижение «Хуавэй» оптических межсоединений является попыткой обойти следующее «узкое место»: физические ограничения проводки между процессорами и памятью, которые даже HBM не может полностью решить. Повторяется последовательная схема, где решение одного «узкого места» выявляет следующее.

С точки зрения конкуренции стандартов, эта ситуация аналогична тому, как «Хуавэй» обеспечила себе влияние в международных органах по стандартизации в телекоммуникационной отрасли благодаря своим патентам, необходимым для стандарта 5G. В то время «Хуавэй» укрепила свои позиции во всей промышленной экосистеме не столько за счет производительности аппаратного обеспечения, сколько за счет своего влияния на процесс установления стандартов. Аналогичным образом, недавнее представление модуля NPO направлено не просто на конкуренцию продуктов, а, как отмечает «Нихон кэйдзай симбун», на обеспечение «большего влияния в новой области производства микросхем, которая может определить будущее вычислений для ИИ следующего поколения» [9]. Арена конкуренции фактически сместилась с телекоммуникационных стандартов на стандарты для полупроводниковой и ИИ-инфраструктуры.

Проблему нехватки энергомощностей можно сравнить с историческими решениями о размещении энергоемких производств. Подобно тому, как алюминиевая и хранилищная промышленность мигрировали в регионы с более низкой стоимостью электроэнергии, аналогичная тенденция наблюдается и с центрами обработки данных ИИ, которые перемещаются в районы с легкодоступной электроэнергией. Однако расположение центров обработки данных ИИ определяется не только логикой затрат, поскольку они часто напрямую связаны с данными национальной безопасности. Уязвимость зарубежных центров обработки данных к физическим атакам, на которую обратил внимание Брукингский институт, иллюстрирует это различие [2]. Это означает, что экономическая логика офшоринга энергоемких отраслей не применима напрямую к инфраструктуре ИИ.

4. Ключевые переменные, формирующие будущее развитие

Первая переменная — это темпы восстановления поставок HBM. Относительная привлекательность китайской стратегии оптического обхода будет зависеть от того, как долго будет продолжаться текущая напряженная ситуация с поставками, достаточно серьезная, чтобы заставить даже «Нвидиа» изменить свои проекты [14][17]. Если поставки HBM нормализуются, воспринимаемая потребность в решении «Хуавэй» на основе оптических межсоединений может снизиться.

Вторая переменная — это любая корректировка сферы действия экспортного контроля США в отношении Китая. Будут ли оптические модули и технологии межсоединений добавлены в контрольный список, определит потенциал для международного распространения стандарта «Хуавэй». Более жесткий контроль, вероятно, ограничит его замкнутой экосистемой, ориентированной на внутренний рынок Китая, тогда как более мягкий контроль может создать возможность для его распространения на незападные рынки.

Третья переменная — это темпы расширения энергетической инфраструктуры и ее политическая приемлемость. Резкий рост спроса на электроэнергию со стороны центров обработки данных может вступить в конфликт с противодействием местных сообществ, трудностями в финансировании инвестиций в электросети и целями перехода на возобновляемые источники энергии. То, как эти противоречия будут разрешены, определит соответствующие темпы расширения вычислительных мощностей в Соединенных Штатах, Китае и Европе.

Четвертая переменная — это фактический прогресс внедрения оборонного ИИ. Ключевым фактором будет степень, в которой проект Министерства обороны США по использованию ИИ для обнаружения ракетных и космических угроз [16] может быть оперативно развернут, несмотря на ограничения в вычислительных мощностях и энергоснабжении. Одновременно, время любого ослабления «политической осторожности» [11] внутри НОАК также является переменной. Будущее направление разрыва в военном ИИ между США и Китаем будет зависеть от того, какая сторона сможет первой решить свои «узкие места» и ускорить темпы развертывания.

Пятая переменная — это расширение вычислительной инфраструктуры третьими державами, включая Европу. То, как низкая 5%-ная доля рынка, определенная «Брейгелем» [6], изменится в течение следующих пяти лет, определит, укрепится ли конкуренция в области инфраструктуры ИИ в чистую дуополию или будет преобразована в многополярное состязание. Для средних держав, таких как Южная Корея, взаимодействие этих пяти переменных определит стратегические параметры для обеспечения их собственного суверенитета в области ИИ.