Дата-центры потребляют очень много электроэнергии, но пока не угрожают климату


    Рис. 1. Историческое потребление энергии ЦОД в 2010-2018 гг и прогноз на ближайшие годы, когда состоится очередное удвоение количества вычислительных инстансов (ядер) в дата-центрах

    Спрос на услуги центров обработки данных (ЦОД) за последнее десятилетие вырос многократно. Его подогревает рост популярности социальных сетей, видео, мобильных приложений и различных облачных приложений.

    В 2010 году на все дата-центры в мире ушло примерно 194 ТВт·ч, то есть 1% мирового энергопотребления. Что будет в случае экспоненциального роста вычислений? Звучали оценки, что энергопотребление ЦОД может вырасти в три или даже четыре раза. Например, см. оценку Бельхира и Эльмелиджи в статье "Assessing ICT global emissions footprint: Trends to 2040 & recommendations" (Journal of Cleaner Production, том 177, стр. 448).

    Но последние исследования показывают, что повод для паники отсутствует. Так, с 2010 по 2018 годы вычислительные мощности ЦОД выросли в 6,5 раз, но энергопотребление осталось примерно на том же уровне (205 ТВт·ч, около 1%), так что планете пока ничего не угрожает.

    Опасения основаны на тенденциях 2005?2010 годов, когда энергопотребление дата-центров действительно выросло с 153 тераватт-часов (ТВт·ч) в 2005 году до 203?273 ТВт·ч в 2010 году, что в общей сложности составиляет от 1,1 до 1,5% мирового потребления электроэнергии (см. J. G. Koomey, “Growth in data center electricity use 2005 to 2010”, Analytics Press for the New York Times, 2011).

    Однако с 2010 года ситуация резко изменилась. В новой научной работе авторы интегрировали данные из разных источников, которые появились в последнее время. Статья написана несколькими ведущими экспертами по использованию энергии в центров обработки данных из Северо-Западного университета, Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и исследовательской компании Koomey Analytics (США).

    Новый анализ показывает весьма скромный рост энергопотребления в последние годы. В частности, к 2018 году рабочие нагрузки и количество вычислительных инстансов увеличилось более чем в шесть раз, IP-трафик увеличился более чем в 10 раз. Ёмкость хранилищ ЦОД за этот срок выросла в 25 раз. Казалось бы, нужно и энергопотребление экстраполировать в соответствующем масштабе. Но нет: с 2010 года потребление электроэнергии в расчёте на один сервер снизилось в четыре раза, в основном, благодаря технологическим улучшениям и сокращению времени холостой работы.

    Показатель ватт на терабайт установленной памяти снизился примерно в девять раз по причине роста плотности и эффективности накопителей.

    Кроме того, рост числа серверов значительно замедлился вследствие пятикратного увеличения среднего числа инстансов на одном сервере (вследствие виртуализации).

    При этом на протяжении всех 2010-2019 годов наблюдалось устойчивое улучшение качества энергозатрат PUE (power usage effectiveness), которое вычисляется как частное от деления общего энергопотребления дата-центра на энергопотребление его IT-оборудования. Вклад разных составляющих в изменение PUE показан на диаграмме ниже.


    Рис. 2. Тенденции в энергопотреблении дата-центров

    В 2018 году глобальное энергопотребление дата-центров выросло до 205 ТВт·ч, что представляет собой увеличение всего на 6% по сравнению с 2010 годом, тогда как общее количество «вычислительных инстансов» увеличилось на 550% за тот же период времени (под вычислительными инстнасами подразумеваются в виду вычислительные ядра CPU, в первую очередь).

    Если вычислить использование энергии на вычислительный инстанс, то энергоёмкость количество глобальных центров обработки данных с 2010 года ежегодно уменьшилась на 20%.

    Общее энергопотребление дата-центров в 2010?2018 годы практически не изменилось, зато энергопотребление IT-устройств (серверов, систем хранения и сетевого оборудования) выросло с 92 до 130 ТВт·ч, что указывает на увеличение эффективности ЦОД. Другими словами, теперь больше энергии уходит непосредственно на работу серверов, а меньше — на вспомогательные системы вроде системы охлаждения. В то же время это говорит о повышении технологической и эксплуатационной эффективности инфраструктуры: «Это снижение объясняется продолжением перехода от небольших традиционных центров обработки данных (79% вычислительных инстансов в 2010) к большим и более энергоэффективным облачным (включая гипермасштабируемые) дата- центрам (89% вычислительных операций в 2018 году)». Тенденция хорошо видна на первом рисунке в статье, см. третий график слева.



    Тем не менее, учитывая постоянно растущий спрос на услуги дата-центров, возникает вопрос, как долго ещё сохранятся текущие тенденции энергоэффективности? «Предсказать долгосрочные пределы эффективности ИТ-устройств заведомо трудно, особенно в свете потенциально прорывных технологий, таких как как квантовые вычисления, для которых потребление энергии непонятно, — пишут авторы. — Тем не менее, в ближайшей перспективе рыночные аналитики прогнозируют ещё большую виртуализацию серверов, а технологические исследования указывают, что у IT-устройств сохранился потенциал для повышения энергоэффективности, в том числе больше переходов на маломощные запоминающие устройства».

    С точки зрения инфраструктуры, сверхкрупные ЦОД мирового класса уже работают на PUE=1,1 или ниже, что близко к минимальному возможному значению.

    Исследователи прогнозируют, что в краткосрочной перспективе продолжится переход от меньших традиционных дата-центров на более эффективные гипермасштабируемые ЦОД. При этом «есть достаточный ресурс энергоэффективности для поглощения следующего удвоения вычислительных операций в дата-центрах параллельно с незначительным увеличением объёма глобального использования энергии».

    Выводы этой научной работы противоречат предыдущим прогнозам о быстром и неизбежном росте потребления электричества. Нет, в ближайшие годы быстрого роста не предвидится. Но объём вычислений будет расти непрерывно ещё много десятилетий, так что энергопотребление в ЦОД необходимо контролировать. Исследователи рекомендуют следить за соблюдением стандартов, таких как Energy Star, для серверов, хранилищ и сетевых устройств, требовать такой сертификации для государственных закупок. Производителям оборудования нужно создать стимулы для продолжения выпуска инновационных энергоэффективных продуктов.

    Исследование опубликовано 28 февраля 2020 года в журнале Science. Работа коллектива американских авторов называется "Recalibrating global data center energy-use estimates" («Изменение оценок энергопотребления глобального рынка центров обработки данных»), doi: 10.1126/science.aba3758.
    Дата-центр «Миран»
    Решения для аренды и размещения ИТ-инфраструктуры

    Комментарии 6

      0
      Интересно, а при таких масштабах дата-центров не выгодно делать утилизацию тепла через нагрев теплоносителей и дальше хоть на двигателях стерлинга генераторы крутить? объемы выделяемого тепла же огромные?
        0
        Температуры маленькие.
          0
          Второй закон термодинамики никто не отменял и следствие из него про зависимость КПД от температуры тоже. Ну вот обогревать этим теплом здания вполне возможно.
            +1
            Тепловой насос?
          –1
          Проходит еще несколько лет, и в порядке экономии энергии и спасения планеты политики принимают закон, обязывающий датацентры выключаться на ночь…
            0
            Интересно сколько биткойн фермы занимают в этом проценте.

            Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

            Самое читаемое