為了讓你 Google、FB用的開心,科技巨頭的資料中心越蓋越大:你該擔心它們對碳排放的影響嗎?

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將你最新的假期照片上傳到Facebook,它們最終會被傳送並且存放在奧勒岡州一個名叫Prineville的小鎮上。在這個小鎮,已經有Facebook建立的三個巨型資料中心,它們還計畫再建兩個。不過,不知道你能不能想像,這些巨大的資料中心有多大呢?

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毫無疑問,這些巨大的建築物,是訊息交易商的寶庫。

按今年市值排名,全球前五大公司分別是蘋果,Amazon,Alphabet,微軟和Facebook,取代過去石油時代的霸主殼牌、美孚等巨頭。儘管現代的科技訊息工廠不會噴出黑煙或研磨油膩的齒輪,資訊本身不會對環境造成影響,但隨著對網際網路和行動流量需求的猛增,訊息產業可能導致能源使用量激增。

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為提供給這些資料中心的保存,這個用電量的需求到底有多大呢?它大概相當於伊朗國家的能源總消耗、全球用於運輸電力的一半、同時也是全球電力需求的1%。

資料中心對總體碳排放貢獻約0.3%。而如果再擴大來看整個資通訊(ICT)生態系統,將個人數位裝置、行動電話網路、串流視訊等等的使用也加進來,就占全球的2%以上碳排放。這使得ICT的碳排量與航空業的燃料排放量相當。

有人預測,當今天出生的孩子長到青少年時,ICT的用電量可能會超過全球總用量的20%,資料中心的使用量超過三分之一。

不過,如果運算密集的比特幣繼續增長,這還會導致能源需求的急劇增加。

 

BITCOIN的侵蝕

自從比特幣2008年誕生以來,人們越來越關注「挖礦」能源需求迅速增加。虛擬硬幣是由礦工「鑄造」的,他們購買專門的伺服器來處理日益增長的區塊鏈中的時間密集型運算,這證明了新的加密幣的有效性。

來自PwC的資料顧問Alex de Vries說,估計,到目前為止,比特幣正在吞噬全球至少0.33%的電力。如果把其他加密貨幣,如乙太坊等等再加進來的話,總數則高達0.5%。 他說:「我覺得這很令人震驚」。

但其他人,包括加州聖地牙哥的加密貨幣研究員Marc Bevand表示,這些數字是基於總體假設的誇大其詞。Bevand估計,到2019年1月,能源使用量可能會低至De Vries所說數字的一半。正在收集加密貨幣資料用電量的加州IT顧問Jonathan Koomey表示:「雖然的確是有增長,但人們正在大肆炒作」。

目前,Bevand表示,比特幣採礦僅在電力便宜的地方(約為全球平均水平的一半)有利可圖,其中包括中國,冰島和北美哥倫比亞河沿岸水力發電豐富的地區。

隨著比特幣礦工進入一個地區並對電網施加壓力,能源公司透過提高費用做出回應。這可能會促使礦場關閉或採取措施大幅提高其硬體或系統冷卻的能效。

Bevand說到,比特幣可能會遷移到能源密集度較低的區塊鏈系統(正如乙太坊計畫的那樣)。或者,Koomey指出,「假設比特幣因某種原因而崩潰;所有這些設施都將消失。」

目前,儘管資料需求不斷增長,但ICT的用電量幾乎持平,因為增加的網際網路流量和資料負載可以透過提高效率來抵消 - 包括關閉舊設施以支援Prineville等超高效中心。但這樣的好景可能會在十年內消失。

在加州負責美國能源部Lawrence Berkeley國家實驗室資料中心能效專家中心的 Dale Sartor說:「現在的趨勢是好的,但是5到10年後它是什麼樣子就是個問題了。」

隨著未來渴望大量能源的需求日益臨近,世界上一些頂尖公司的學術實驗室和工程師正在探索如何控制這一行帶來的環境影響。

他們的努力包括簡化運算流程,轉向可再生能源,並研究更好的方法來冷卻資料中心並回收廢熱。來自伊利諾伊州埃文斯頓市,西北大學的工程師Eric Masanet表示,我們必須對訊息通訊技術的能源使用「保持警惕」,他是國際能源署(IEA)關於數位化和能源去年報告的共同撰寫人-他表示,如果我們想保持領先地位的話,我們應該控制未來的能源需求。

能源消耗需求走高

在瑞典的華為從事可持續ICT工作的Anders Andrae預測,到2030年資料中心的用電量可能會增加15倍,達到預計全球需求量的8%,但是這個可怕的數字是有爭議的。

Masanet說:「多年來,人們對ICT能源使用的增長做出了許多危言聳聽的預測,而且所有這些都被證明是無意義的。」 去年的IEA報告估計,儘管資料中心的工作量將會增加,到2020年將增加兩倍,但效率提升意味著他們的電力需求只會下降3%。研究人員建議,隨著智慧型手機接管大型設備,訊息通訊技術的碳排放總量甚至可能在2020年呈下降態勢。

在過去的五年中,資料中心的電力需求大致保持不變,部分原因是超高效資料中心的興起,這些工廠採用有組織的,統一的運算架構,可輕鬆擴展到數十萬台伺服器。

大規模的資料中心大約在十年前出現,當時像Amazon和Google這樣的公司需要25萬台或更多伺服器區組成其資料中心。到了2011年起,Facebook發起了Open Compute Project,這個開放運算計畫旨在分享硬體和軟體解決方案,使運算更加節能。

在當時,大多數公司通常不會使用運算公司提供的現成硬體,因為這麼做並沒有什麼意義。在大規模的資料中心你有機會將不需要的東西全部剝離,只剩下你需要的核心功能,並且你還可以對應用程式進行特定的最佳化。平均而言,超大規模運算中心的一台伺服器可以替代傳統中心的3.75台伺服器。

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超大規模運算中心所節省的成本可以從他們的電力使用效率(PUE)中看出。PUE定義為資料中心所需的總能量,包括燈光和冷卻,除以用於運算的能量(PUE為1.0是完美的分數)。 傳統資料中心的PUE通常約為2.0;對於超大規模運算中心,PUE已經削減到大約1.2。Google的所有運算中心平均PUE為1.12。

硬體較舊或技術棧較為陳舊的資料中心,可能會有些難以優化的設備組合,甚至令人驚訝的是,有些設備可能完全沒有用處。

2017年,加州的國際IT專家Jonathan Koomey與一位同事一起調查了藏在一間資料公司的16,000多台伺服器,結果,他們發現其中四分之一都是「殭屍伺服器」。這些伺服器沒有處理任何有用的工作卻在白白消耗電力,原因只是因為「有人忘了把它們關掉。」。

在2016年的一份報告中, Lawrence Berkeley國家實驗室估計,如果美國小型資料中心中80%的伺服器轉移到超大規模的資料中心的話,可以降低25%的能耗,而這項行動已經在展開中。

今天,全世界有大約400個超大規模資料中心,其中許多資料中心為小型企業或大學提供服務,而這些企業在過去曾擁有自己的伺服器。現在這些企業的用電消耗已經占據全球資料中心用電量的20%。 IEA表示,到2020年,超大規模中心將占其中的近一半(參見下圖「超大規模的轉變」)。

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發熱和散熱

一旦超大規模的資料中心盡可能多地承擔了負載,進一步提高效率會變得更加艱難,但企業還在努力。一種新興的管理技術可以確保伺服器盡可能多地全速運行,而其它伺服器則可以關閉而不是處於閒置狀態。

Facebook發明了一個名為Autoscale的系統,這一系統可以減少在低流量時間內需要打開的伺服器數量。Facebook在2014年的報告中指出,在試驗中這套系統可以節約用電達到10-15%。

超大規模資料中心削減PUE的一個重要方法是解決冷卻問題。在傳統的資料中心,空調製冷所產生的花費占總共能源帳單的40%。

使用蒸發水來冷卻空氣的冷卻塔,造成了另一個環境問題:2014年美國的資料中心總共使用了大約1000億升水。資料中心如果能擺脫冷氣空調和冷卻塔,將有助於節省能源和水。

現在,比較普遍的一種非常簡單的解決方案:將資料中心建造在涼爽的地點,利用空氣吹入其中來降溫。

這些中心不必座落到冰天雪地的極端地方:奧勒岡州 的Prineville足夠涼爽,可以利用所謂的「空氣冷卻」,許多其它資料中心的位置也是如此。

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相比空氣來說,自來水是更好的熱導體。透過允許使用溫水冷卻資料中心,冷卻系統中生產和再循環的能量消耗會更少。

即使在溫帶氣候下,溫水冷卻已經成為管理產生大量熱量的高性能運算機的解決方案。美國能源部實驗室和位於德國Garching的巴伐利亞科學院擁有的SuperMUC超級電腦都在採用這一方案。溫暖氣候的資料中心有時也投資於溫水冷卻系統,例如eBay位於亞利桑那州鳳凰城的Project Mercury資料中心。

對於高密度,高功率的資料中心,最有效的方法是將伺服器浸入不導電的植物油或礦物油中。 Facebook在2012年嘗試將其運用在伺服器上,作為一種讓伺服器運行更快卻不會過熱的散熱方式。 Meijer說,目前浸入式冷卻的維護還十分複雜,是一個非常棘手的專業領域。

2016年,Google調整旗下的DeepMind人工智能(AI)研究團隊接手一項任務,調整其資料中心冷卻系統使其能更好得適應天氣和其他因素的影響。

Google表示,在測試中,該團隊將其冷卻能源費用降低了40%,並且「產生了該網站有史以來最低的PUE分數」。今年8月,Google宣佈已將一些資料中心的冷卻系統轉由AI演算法調整。

卡特表示,探索創新式的冷卻方案並使已有冷卻方案成本更低的辦法將在未來幾年變得尤為重要。 他表示,「當我們與世界相聯時,有一些地區(非洲和南亞)卻無法享受免費的空氣冷卻」,並且其他開發項目將以新的方式對IT基礎架構負擔。

如果自動駕駛汽車湧入道路,例如,在行動電話塔底部的小型伺服器,用於幫助汽車進行通訊和處理資料,將需要更高功率的設備來實時處理AI工作負荷和達到一個更好的冷卻效果。

今年,開放運算項目(the Open Compute Project)啟動了一個先進冷卻項目,旨在使得高效的冷卻系統更易於獲取。 「超級公司(例如Google、Amazon、微軟等)已經解決了這些問題,它們已經非常高效」,卡特表示, 「我們正嘗試幫助其他機構,也能享受AI帶來的紅利。」

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還有一種很好的冷卻辦法是伺服器散熱法,它能透過節省其他地方的電力需求達到冷卻效果。 「它就像一個免費資源,」一位蘇黎世的IBM研究員Patrick Ruch說。

舉幾個例子:巴黎的Condorcet資料中心將其餘熱直接送到鄰近的氣候變化植物園,在那裡科學家可以研究高溫對植被的影響。 一家瑞士的IBM資料中心利用餘熱為附近的游泳池供暖。

但是熱量傳播並不方便,因此廢熱利用往往侷限於資料中心附近的消費群體,或者是城市裡已經使用管道熱水供暖的家庭。

零零散散有參與者致力於廢熱的推廣使用,包括將其變為電力的初步努力。 還有其他辦法是利用廢熱來運行冷卻設備——例如,IBM的THRIVE-(200萬美元項目)正在開發新材料,可以更好地吸收水蒸氣並在受熱時釋放水蒸氣,從而製造出更高效的吸附式熱泵以維持資料中心的恆溫。

未來

從核心上講,資料中心的水準也就是其構成的處理器的水準——且存在有改進的餘地。自20世紀40年代以來,電腦每千瓦時(KWh)能量的運行次數在峰值性能方面大約每隔1.6年翻一番,在平均性能方面大約每2.6年翻一番。這是50年來產生的100億倍的改進。根據Koomey的運算,從某種程度上說,自2000年以來,改進速度已經放緩,而當代運算機將在不久的幾十年內遇到晶體管功能限制的物理障礙。

「我們正面臨著收縮量的極限,」Koomey說。 他說,在此之後實現可比較的效率提升將需要在硬體構建和運算能力方面進行革命:可能需要轉向量子運算。 「這基本上不可能預測,」他說。

雖然核心重點是減少ICT的能源使用,但值得注意的是,訊息產業也可以使我們在其他地方的電力使用變得更加智能和高效。 國際能源署(IEA)指出,如果所有車輛都變得自動化,舉個例子,一種烏托邦式的可能,即更平穩的交通流量和更容易的拼車將使運輸業的總能源需求減少60%。

在過去25年中,占全球電力需求增長60%的建築物在提高能效方面具有巨大的發展空間:智能供暖和製冷,連接建築的傳感器和天氣預報,可以節省10%的未來能源需求。

總部位於Brussels的行業協會,全球電子可持續發展倡議組織的主任Chiara Venturini估計,IT行業目前的碳足跡減少了1.5倍,到2030年可能會增加近10倍。

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訊息通訊技術(ICT)還可以通過讓可再生能源比化石燃料更具優勢來幫助減少全球排放。 2010年,環保組織綠色和平組織發佈了第一份ClickClean報告,該報告對主要公司進行了排名,並對IT行業的環境負擔進行了重點關注。

2011年,Facebook承諾100%使用可再生能源。 Google和蘋果緊隨其後於2012年做出相應承諾。截至2017年,近20家網際網路公司也做了同樣的事情。(然而,百度,騰訊和阿里巴巴等中國網際網路巨頭並沒有跟隨。)在2010年前,IT公司對能源公司的可再生能源購買協議的貢獻微小;到2015年,他們占這些協議的數量達到了一半以上。Google是全球最大的可再生能源企業採購商。

減少對資料的渴望可能是防止能源使用進入超級驅動的最終方式。 但很難看到有人同意,比如說,限制他們使用的Netflix,占美國網際網路流量的三分之一以上。 UK Cheltenham的諮詢工程師、資料中心專家Ian Bitterlin說,僅在手機上禁用高解析度彩色鏡頭可以將歐洲的資料流量減少40%。

但是,他補充說,似乎沒有人敢制定這樣的規則。「我們不能把潘朵拉盒子關上,」他說。 「但我們可以減少資料中心的能源消耗。」

本文授權轉載自36Kr

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