如何阻止数据中心吞噬世界电力

将您最新的假日照片上传到Facebook，最终它们有可能存储在俄勒冈州的Prineville，这是一个小镇，该公司已在该小镇建立了三个巨型数据中心，并计划再建立两个。在这些比航空母舰大的庞大工厂内，成千上万的电路板排成一排排，延伸到无窗的大厅里，直到员工骑着踏板车穿过走廊。

这些巨大的建筑物是新兴工业之王的仓库：信息交易员。今年市值排名前五的全球公司中，苹果，亚马逊，Alphabet，微软和Facebook取代了壳牌和埃克森美孚等巨头。尽管信息工厂可能不会喷出黑烟或磨碎油腻的齿轮，但它们并不会损害环境。随着互联网和手机流量的激增，信息产业可能导致能源使用激增（请参阅“能源预测”）。

数据中心每年已经估计使用200兆瓦时（TWh）。这超过了包括伊朗在内的一些国家的国家能源消耗量，但占全球用于运输的电力的一半，仅占全球电力需求的1％（请参阅“能源规模”）。数据中心约占总碳排放量的0.3％，而整个信息和通信技术（ICT）生态系统（在涵盖个人数字设备，移动电话网络和电视的广泛定义下）占2％以上全球排放量这使ICT的碳足迹与航空业燃料排放量相当。未来可能发生的事情很难预测。但最令人担忧的模型之一预测，到今天出生的孩子到十几岁时，ICT的用电量可能超过全球用电量的20％，而数据中心的用电量则超过三分之一（请参阅“能源预测”）。 1。如果计算密集型加密货币比特币继续增长，则能源需求的急剧上升可能会在不久而不是以后出现（请参阅“比特币咬人”）。

到目前为止，尽管对数据的需求不断增长，但ICT电力消耗几乎保持不变，因为互联网流量和数据负载的增加被效率的提高所抵制-包括关闭旧设施以支持Prineville等超高效中心。但是那些轻松的胜利可能会在十年内结束。“现在的趋势很好，但是在5年“ 0年内”将是什么样，负责美国能源劳伦斯局数据中心能源效率专家中心的Dale Sartor说。加州伯克利的伯克利国家实验室。

随着对能源的渴望，未来的幽灵迫在眉睫，学术实验室的科学家和世界上一些最富有的公司的工程师正在探索各种方法，以控制行业对环境的影响。他们正在简化计算流程，改用可再生能源，并研究更好的方法来冷却数据中心并回收其废热。ICT能源的使用必须“严格管理”？伊利诺斯州埃文斯顿西北大学的工程师埃里克·马萨奈特（Eric Masanet）说，他去年与人合着了国际能源署（IEA）关于数字化和能源的报告2，但如果我们保持领先地位，他说，我们应该保持未来检查能源需求。

“这是一个非常渴望数据的社会，我们正在使用越来越多的数据，而所有这些都在消耗越来越多的能量。” / h3>下载MP3

换高档

ICT未来能源需求的最令人震惊的预测可能来自安德斯·安德拉（Anders Andrae）。他预测，到2030年，以数据为中心的用电量可能会增长约15倍，占预计全球需求的8％1。这种可怕的数字是有争议的。Masanet说：“多年来，关于ICT能源使用量增长的许多令人震惊的预测，而且都被证明是荒谬的。”IEA去年的报告估计，尽管数据中心的工作量将激增，到2020年达到2014年的三倍，但能源效率的提高意味着其电力需求可能仅会增长3％2。研究人员建议，随着智能手机取代大型设备，到2020年，整个ICT的碳足迹甚至可能下降。

比特币咬

自从2008年比特币诞生以来，人们越来越担心其生产的能源需求将迅速升级。虚拟硬币是由矿工“购买”的，他们购买专门的服务器以在不断增长的区块链中处理时间密集的计算，从而证明了新加密货币的有效性。阿姆斯特丹国际专业服务公司普华永道（PwC）的数据顾问亚历克斯·德弗里斯（Alex de Vries）说，到2018年中期，比特币矿工每年可能在全球使用约20太瓦小时的电量，不到数据中心的10％，甚至更少超过总用电量的0.1％6。但是，有关其使用量增长速度的估计仍有争议。

De Vries估计，到目前为止，比特币至少吞噬了全球电力的0.33％。包括以太坊等其他加密货币的涨幅高达0.5％。他说：“泪水令人震惊。”但其他人，包括加利福尼亚州圣地亚哥的加密货币研究人员马克·贝万德（Marc Bevand）表示，这些数字是虚高的，是基于总的假设。Bevand估计，到2019年1月，能源使用量可能仅为de Vries当前数量的一半。“这里是增长，但人们正在大肆宣传”，加利福尼亚州IT顾问Jonathan Koomey说，他正在收集有关加密货币用电量的数据。

目前，比特币开采仅在电力便宜的地方（大约是全球平均水平的一半）才能赚钱，其中包括中国，冰岛和北美哥伦比亚河沿岸水力发电丰富的地区。随着比特币矿工深入某个地区并给电网施加压力，能源公司通过提高收费来做出回应。这可能会促使矿工关闭或采取措施大幅提高其硬件或系统冷却的能源效率。

Bevand说（以太坊正在计划中），比特币可能会迁移到能耗较低的区块链系统。或者，库米指出，“由于某种原因，比特币崩溃了；所有这些设施都将消失。

在过去的五年中，数据中心的电力需求大致保持水平，部分原因是“超大规模转移”，即使用组织化，统一的计算架构（可轻松扩展至数十万台服务器。Open Compute Project首席技术官Bill Carter说，大约在十年前，超大型数据中心应运而生，当时诸如Amazon和Google之类的公司开始需要每百万台服务器中有四分之一的服务器。它于2011年由Facebook发起，旨在共享硬件和软件解决方案，以使计算更加节能。那时，像公司通常那样使用计算公司的现成硬件是没有意义的。

卡特说：“渊源有机会将事情分解为您所需要的，并使其特定于您的应用程序。”新的超扩展程序使专为目的而设计的准系统服务器成为可能。因为没有视频监视器，所以剥去了视频连接器。没有闪烁的灯光，因为没有人在架子上行走。卡特说，没有螺丝。平均而言，据说超大型中心中的一台服务器可以替换传统中心中的3.75台服务器。

超大型中心节省的电能可以从它们的电源使用效率（PUE）中看出，PUE定义为包括照明和冷却在内的所有事物所需的总能量除以计算所用的能量（1.0的PUE是一个完美的分数） 。传统数据中心的PUE通常约为2.0；对于超大型设施，则减少到约1.2。谷歌为例，其所有中心的PUE平均为1.12。

较旧或技术较少​​的数据中心可能包含难以优化的设备组合，有些甚至无用。2017年，总部位于加利福尼亚的顾问兼国际领先的IT专家乔纳森·库米（Jonathan Koomey）与一位同事进行了调查，调查了超过16,000台服务器塞入公司壁橱和地下室的服务器，发现其中约四分之一是“僵尸”。 ，在没有做任何有用工作的情况下就消耗了功率-也许是因为有人只是忘记了将其关闭。Koomey说：“这些服务器无处不在，除了用电之外，什么也不做。”

劳伦斯·伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）在2016年的一份报告中估计，如果美国小型数据中心中80％的服务器移至超大规模设施，这将导致能源使用量减少25％4。该行动正在进行中。如今，世界上大约有400个超大规模数据中心，其中许多都为过去拥有自己服务器的小型公司或大学提供服务。它们已经占世界数据中心用电量的20％。IEA称，到2020年，超大型中心将占其中的近一半（请参阅“超大规模转变”）。

冷热奔跑

一旦超伸缩器承担了尽可能多的负载，就很难再找到更高的效率了。但是公司正在努力。一种新兴的管理技术是确保服务器尽可能多地处于全速运转状态，而其他服务器则关闭而不是保持空闲状态。Facebook发明了一个名为Autoscale的系统，该系统减少了在低流量时段需要开启的服务器数量。该公司在2014年报告称，在试验中，这节省了大约10％至5​​％的电量。

超大规模生产商降低其PUE的一种重要方法是解决冷却问题。在传统的数据中心中，标准空调可吸收40％的电费。冷却塔的使用会蒸发水以驱动空气的冷却，这会引起另一个环境问题：据估计，2014年美国数据中心使用了约1000亿升水。摆脱压缩冷却器和冷却塔有助于节省能源和水。

一种流行的解决方案是简单地将数据中心放置在凉爽的气候中，并将外部空气吹入其中。这样的中心不必在冰冷的地区：Prineville足够凉爽，可以利用所谓的“三风冷却”优势。瑞士苏黎世的IBM Research物理学家Ingmar Meijer说，其他许多数据中心地点也是如此。

管道水是更好的热导体，可以使用温水对中心进行冷却，而温水在冷却系统中产生和循环利用的能量消耗较小。即使在温带气候下，温水冷却也已成为管理快速和高温运行的高性能计算机的实际解决方案，包括美国能源部实验室和巴伐利亚州科学院的超级计算机（位于德国加兴的SuperMUC超级计算机） 。温暖气候下的商业中心有时也会在这些系统上进行投资，例如位于亚利桑那州凤凰城的eBay Project Mercury数据中心。

对于高密度，高功率的计算，最有效的方法是将服务器浸入非导电的油或矿物浴中。Facebook在2012年进行了试用，以此作为在不使服务器过热的情况下更高速度运行服务器的一种方法。Meijer说，就目前而言，浸入式冷却是一个需要精心维护的专业领域。

在2016年，Google将其DeepMind人工智能（AI）研究团队转到了调整其数据中心冷却系统以适应天气和其他因素的任务。谷歌表示，在测试中，该团队将其冷却能源账单减少了40％，并“降低了该站点有史以来的最低PUE”？今年8月，该公司宣布已将某些数据中心的冷却控制移交给其AI算法。

卡特说，在未来几年中，探索创新的冷却解决方案并使其更便宜将变得越来越重要。他指出，“我们连通世界，那里的地区将能够使用免费的空气冷却系统。”其他发展将以新的方式对IT基础架构造成负担。例如，如果自动驾驶汽车泛滥成灾，那么位于手机塔楼底部的小型服务器装置（用于帮助这些汽车进行通信和处理数据）将需要能够处理实时AI工作负载的大功率设备。以及更好的散热选择。今年，开放计算项目启动了一个有关高级冷却的项目，旨在使高效的冷却系统更容易使用。“超大规模者已经弄清楚了；卡特说，它们非常高效。“试图帮助其他人。”？/ p>

与更好的散热方式并存是利用服务器散发的热量的想法，从而节省了其他地方的用电需求。IBM研究员苏黎世的Patrick Ruch说：“这就像免费资源一样”。有几个例子：巴黎的Condorcet数据中心将废热直接发送到附近的气候变化植物园，科学家在这里研究高温对植被的影响。瑞士的IBM数据中心为附近的游泳池加温。但是热量不能很好地传播，因此废热的使用往往仅限于方便客户旁边的数据中心，或者是已经使用管道热水为房屋供暖的城市。

众多参与者的目标是使废热更普遍地被利用，包括将其转化为电能的初步努力。其他目标则是利用废热来运行冷却装置。例如，IBM耗资200万美元的项目THRIVE正在开发新材料，该材料可以更好地吸收水蒸气并在暴露于热时释放出来，从而提高效率。热泵以保持数据中心冷却。

力量发挥

数据中心在本质上仅与它们制成的处理器一样好，并且在那里还有改进的余地。自1940年代以来，计算机在每千瓦时（KWh）的能量下可以执行的操作数量大约每1.6年增加一次，以达到最佳性能，而每2.6年获得平均性能。在过去50年中提高了100亿倍。根据Koomey的计算，从某些方面来看，自2000年以来，改进的速度已经放慢了，当前的计算将遇到物理障碍，该障碍将在短短几十年内限制晶体管的功能。

Koomey说：“这符合收缩的极限。”他说，要想在那之后取得可比的效率提高，就需要在硬件构建和计算方式方面进行一场革命：也许是通过转向量子计算。他说：“基本上无法预测。”

尽管核心重点是减少ICT的能源使用，但值得记住的是，信息产业也可以使我们在其他地方的电力使用更加智能和高效。IEA指出，例如，如果所有车辆都实现了自动化，则存在乌托邦式的可能性，即交通顺畅和拼车更容易将运输行业的总能源需求降低60％。在过去的25年中，建筑物占据了全球电力需求增长的60％，具有巨大的能源效率改善空间：智能供暖和制冷，连接建筑物传感器和天气报告可以节省10％的未来能源需求。总部位于布鲁塞尔的行业协会全球电子可持续发展计划的负责人Chiara Venturini估计，IT行业目前的减排量是其自身碳足迹的1.5倍，到2030年可能会增长近10倍。

信息通信技术还可以通过使可再生能源比化石燃料更具优势来帮助减少全球排放。2010年，环保组织绿色和平组织发布了第一份ClickClean报告，该报告对主要公司进行了排名，并对IT的环境负担给予了关注。2011年，Facebook承诺使用100％可再生能源。Google和Apple在2012年紧随其后。截至2017年，近20家互联网公司都做了同样的事情。（但是，百度，腾讯和阿里巴巴等中国互联网巨头并未效仿。）早在2010年，IT公司对与能源公司签订的可再生能源购买协议的贡献微不足道。到2015年，它们占此类协议的一半以上（见“货币增长”）。Google是全球最大的可再生能源企业采购商。

减少对数据的渴望可能是防止能源消耗进入超级驱动器的最终方法。但是，很难看到有人同意限制使用Netflix，这占美国互联网流量的三分之一以上。英国切尔滕纳姆的咨询工程师兼数据中心专家伊恩·贝特林（Ian Bitterlin）表示，仅在手机上禁止使用高清彩色摄像机，就可以将欧洲的数据流量减少40％。但是，他补充说，似乎没有人敢于制定这样的规则。他说：“可以把盖子放回潘多拉盒子上。”“但是我们可以减少数据中心功能。”

自然561，163-166（2018）