將你最新的假期照片上傳到Facebook，它們最終會被存放在俄勒岡州一個名叫Prineville的小鎮(zhèn)上，這里有Facebook已經(jīng)建立的三個巨型數(shù)據(jù)中心，它們還計劃再建兩個。

這些巨大的數(shù)據(jù)中心有多大呢?

內(nèi)部空間面積超過航空母艦，成千上萬的電路板一排排整齊的排列著，一直延伸到?jīng)]有窗戶的大廳，這里面的走廊太長，工作人員需要用滑板穿梭其中。

這些巨大的建筑物是信息交易商的寶庫。

按今年市值排名，全球前五大公司分別是蘋果，亞馬遜，Alphabet，微軟和Facebook，取代曾經(jīng)的殼牌和�？松�美孚等巨頭。盡管信息工廠可能不會噴出黑煙或研磨油膩的齒輪，它們不會對環(huán)境造成影響，但隨著對互聯(lián)網(wǎng)和移動電話流量需求的猛增，信息產(chǎn)業(yè)可能導(dǎo)致能源使用量激增。

 

 

數(shù)據(jù)中心每年使用的電量估計為200太瓦時(TWh)。

這個用電量是什么概念呢?它大概相當于伊朗國家的能源總消耗、全球用于運輸電力的一半、同時也是全球電力需求的1%。

數(shù)據(jù)中心對總體碳排放貢獻約0.3%，而信息和通信技術(shù)(ICT)生態(tài)系統(tǒng)整體，在包含個人數(shù)字設(shè)備，移動電話網(wǎng)絡(luò)和電視的全面定義中，占全球的2%以上排放。這使得ICT的碳排量與航空業(yè)的燃料排放量相當。

有人預(yù)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%，數(shù)據(jù)中心的使用量超過三分之一。如果計算密集的加密貨幣比特幣繼續(xù)增長，這還會導(dǎo)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(guān)注“挖礦”能源需求迅速增加。虛擬硬幣是由礦工“鑄造”的，他們購買專門的服務(wù)器來處理日益增長的區(qū)塊鏈中的時間密集型計算，這證明了新的加密幣的有效性。

來自PwC的數(shù)據(jù)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。包括其他加密貨幣，如以太坊，高達0.5%。 他說：“我覺得這很令人震驚”。

但其他人，包括加利福尼亞州圣地亞哥的加密貨幣研究員Marc Bevand表示，這些數(shù)字是基于總體假設(shè)的夸大其詞。Bevand估計，到2019年1月，能源使用量可能會低至De Vries所說數(shù)字的一半。正在收集加密貨幣數(shù)據(jù)用電量的加州IT顧問Jonathan Koomey表示：“有增長，但人們正在大肆炒作”。

目前，Bevand表示，比特幣采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(fā)電豐富的地區(qū)。

隨著比特幣礦工進入一個地區(qū)并對電網(wǎng)施加壓力，能源公司通過提高費用做出回應(yīng)。這可能會促使礦場關(guān)閉或采取措施大幅提高其硬件或系統(tǒng)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(qū)塊鏈系統(tǒng)(正如以太坊計劃的那樣)。或者，Koomey指出，“假設(shè)比特幣因某種原因而崩潰;所有這些設(shè)施都將消失。”

目前，盡管數(shù)據(jù)需求不斷增長，但ICT的用電量幾乎持平，因為增加的互聯(lián)網(wǎng)流量和數(shù)據(jù)負載可以通過提高效率來抵消 - 包括關(guān)閉舊設(shè)施以支持Prineville等超高效中心。但這樣的好景可能會在十年內(nèi)消失。在加利福尼亞州伯克利，負責美國能源部Lawrence Berkeley國家實驗室數(shù)據(jù)中心能效專家中心的 Dale Sartor說：“現(xiàn)在的趨勢是好的，但是5到10年后它是什么樣子就是個問題了。”

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(shù)實驗室和工程師正在探索如何控制這一行業(yè)帶來的環(huán)境影響。

他們正在簡化計算流程，轉(zhuǎn)向可再生能源，并研究更好的方法來冷卻數(shù)據(jù)中心并回收廢熱。來自伊利諾伊州埃文斯頓市,西北大學的工程師Eric Masanet表示，我們必須對信息通信技術(shù)的能源使用“保持警惕”，他是國際能源署(IEA)關(guān)于數(shù)字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(lǐng)先地位的話，我們應(yīng)該控制未來的能源需求。

能源消耗掛高檔

在瑞典的華為從事可持續(xù)ICT工作的Anders Andrae預(yù)測，到2030年數(shù)據(jù)中心的用電量可能會增加15倍，達到預(yù)計全球需求量的8%，但是這個可怕的數(shù)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(yù)測，而且所有這些都被證明是無意義的。” 去年的IEA報告估計，盡管數(shù)據(jù)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，隨著智能手機接管大型設(shè)備，信息通信技術(shù)的碳排放總量甚至可能在2020年呈下降態(tài)勢。

在過去的五年中，數(shù)據(jù)中心的電力需求大致保持不變，部分原因是“超大規(guī)模的轉(zhuǎn)變”。隨著超高效數(shù)據(jù)中心的興起，這些工廠采用有組織的，統(tǒng)一的計算架構(gòu)，可輕松擴展到數(shù)十萬臺服務(wù)器。Bill Carter，Open Compute Project的首席技術(shù)官說到，大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心大約在十年前出現(xiàn)，當時像亞馬遜和谷歌這樣的公司需要25萬臺或更多服務(wù)器區(qū)組成其數(shù)據(jù)中心。

2011年起，F(xiàn)acebook發(fā)起了Open Compute Project，這個開放計算計劃旨在分享硬件和軟件解決方案，使計算更加節(jié)能。在當時，大多數(shù)公司通常不會使用計算公司提供的現(xiàn)成硬件，因為這么做并沒有什么意義。

Carter說，在大規(guī)模的數(shù)據(jù)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，并且你還可以對應(yīng)用進行特定的優(yōu)化。新的超大規(guī)模設(shè)備制造商為了這個目的設(shè)計了裸機服務(wù)器。

我們?nèi)コ�了視頻連接器，因為不需要顯示器。沒有閃爍的燈光，因為沒有人在機架周圍走動。 也沒有螺絲釘。平均而言，超大規(guī)模計算中心的一臺服務(wù)器據(jù)說可以替代傳統(tǒng)中心的3.75臺服務(wù)器。

 

 

信息和通信技術(shù)制造的二氧化碳排放占全球碳排放量的2%以上超大規(guī)模計算中心所節(jié)省的成本可以從他們的電力使用效率(PUE)中看出。PUE定義為數(shù)據(jù)中心所需的總能量，包括燈光和冷卻，除以用于計算的能量(PUE為1.0是完美的分數(shù))。 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的PUE通常約為2.0;對于超大規(guī)模計算中心，PUE已經(jīng)削減到大約1.2。谷歌的所有計算中心平均PUE為1.12。

硬件較舊或技術(shù)棧較為陳舊的數(shù)據(jù)中心可能包含難以優(yōu)化的設(shè)備組合，有些設(shè)備甚至完全沒有用處。2017年，來自California的顧問和領(lǐng)先的國際IT專家Jonathan Koomey與一位同事一起調(diào)查了藏在公司壁櫥和地下室中的16,000多臺服務(wù)器，他們發(fā)現(xiàn)其中四分之一都是“僵尸服務(wù)器”。

這些服務(wù)器沒有處理任何有用的工作卻在白白消耗電力，這也許是因為有人忘了把它們關(guān)掉。Koomey說：“這些服務(wù)器除了使用電力之外什么用都沒有，這太過分了!”

在2016年的一份報告中， Lawrence Berkeley國家實驗室估計，如果美國小型數(shù)據(jù)中心中80%的服務(wù)器轉(zhuǎn)移到超大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心的話，這一舉措可以降低25%的能耗，而這項行動已經(jīng)在展開中。

今天，全世界有大約400個超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心，其中許多數(shù)據(jù)中心為小型企業(yè)或大學提供服務(wù)，而這些企業(yè)在過去曾擁有自己的服務(wù)器�，F(xiàn)在這些企業(yè)的用電消耗已經(jīng)占據(jù)全球數(shù)據(jù)中心用電量的20%。 IEA表示，到2020年，超大規(guī)模中心將占其中的近一半(參見下圖“超大規(guī)模的轉(zhuǎn)變”)。

 

 

發(fā)熱和散熱

一旦超大規(guī)模的數(shù)據(jù)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(yè)還在努力。一種新興的管理技術(shù)可以確保服務(wù)器盡可能多地全速運行，而其它服務(wù)器則可以關(guān)閉而不是處于閑置狀態(tài)。

Facebook發(fā)明了一個名為Autoscale的系統(tǒng)，這一系統(tǒng)可以減少在低流量時間內(nèi)需要打開的服務(wù)器數(shù)量。Facebook在2014年的報告中指出，在試驗中這套系統(tǒng)可以節(jié)約用電達到10-15%。

超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心削減PUE的一個重要方法是解決冷卻問題。在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，空調(diào)制冷所產(chǎn)生的花銷占總共能源賬單的40%。

使用蒸發(fā)水來冷卻空氣的冷卻塔造成了另一個環(huán)境問題：2014年美國的數(shù)據(jù)中心總共使用了大約1000億升水。擺脫壓縮冷卻空調(diào)和冷卻塔有助于節(jié)省能源和水。

現(xiàn)在，比較普遍的一種非常簡單的解決方案：將數(shù)據(jù)中心建造在涼爽的地點，利用空氣吹入其中來降溫。

這些中心不必坐落在冷到能結(jié)冰的區(qū)域：俄勒岡州 的Prineville足夠涼爽，可以利用所謂的“空氣冷卻”，許多其它數(shù)據(jù)中心的位置也是如此，在瑞士蘇黎世的IBM研究中心物理學家Ingmar Meijer如此解釋。

 

 

在這個位于俄勒岡州的谷歌數(shù)據(jù)中心，藍色管道供應(yīng)冷水，紅色管道返回需要被冷卻的溫水相比空氣來說，自來水是更好的熱導(dǎo)體。通過允許使用溫水冷卻數(shù)據(jù)中心，冷卻系統(tǒng)中生產(chǎn)和再循環(huán)的能量消耗會更少。

即使在溫帶氣候下，溫水冷卻已經(jīng)成為管理產(chǎn)生大量熱量的高性能計算機的事實上的解決方案。美國能源部實驗室和位于德國Garching的巴伐利亞科學院擁有的SuperMUC超級計算機都在采用這一方案。溫暖氣候的數(shù)據(jù)中心有時也投資于溫水冷卻系統(tǒng)，例如eBay位于亞利桑那州鳳凰城的Project Mercury數(shù)據(jù)中心。

對于高密度，高功率的數(shù)據(jù)中心，最有效的方法是將服務(wù)器浸入不導(dǎo)電的植物油或礦物油中。 Facebook在2012年嘗試將其運用在服務(wù)器上，作為一種讓服務(wù)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復(fù)雜，是一個非常棘手的專業(yè)領(lǐng)域。

2016年，谷歌調(diào)整旗下的DeepMind人工智能(AI)研究團隊接手一項任務(wù)，調(diào)整其數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)使其能更好得適應(yīng)天氣和其他因素的影響。

谷歌表示，在測試中，該團隊將其冷卻能源費用降低了40%，并且“產(chǎn)生了該網(wǎng)站有史以來最低的PUE分數(shù)”。今年8月，谷歌宣布已將一些數(shù)據(jù)中心的冷卻系統(tǒng)轉(zhuǎn)由AI算法調(diào)整。

卡特表示，探索創(chuàng)新式的冷卻方案并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(lián)時，有一些地區(qū)(非洲和南亞)卻無法享受免費的空氣冷卻”，并且其他開發(fā)項目將以新的方式對IT基礎(chǔ)架構(gòu)負擔。

如果自動駕駛汽車涌入道路，例如，在移動電話塔底部的小型服務(wù)器，用于幫助汽車進行通信和處理數(shù)據(jù)，將需要更高功率的設(shè)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，開放計算項目(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(tǒng)更易于獲取。 “超級公司(例如谷歌、亞馬遜、微軟等)已經(jīng)解決了這些問題，它們已經(jīng)非常高效”，卡特表示， “我們正嘗試幫助其他機構(gòu)，也能享受AI帶來的紅利。”

 

 

還有一種很好的冷卻辦法是服務(wù)器散熱法，它能通過節(jié)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數(shù)據(jù)中心將其余熱直接送到鄰近的氣候變化植物園，在那里科學家可以研究高溫對植被的影響。 一家瑞士的IBM數(shù)據(jù)中心利用余熱為附近的游泳池供暖。

但是熱量傳播并不方便，因此廢熱利用往往局限于數(shù)據(jù)中心附近的消費群體，或者是城市里已經(jīng)使用管道熱水供暖的家庭。

零零散散有參與者致力于廢熱的推廣使用，包括將其變?yōu)殡娏Φ某醪脚�力�?還有其他辦法是利用廢熱來運行冷卻設(shè)備——例如，IBM的THRIVE-(200萬美元項目)正在開發(fā)新材料，可以更好地吸收水蒸氣并在受熱時釋放水蒸氣，從而制造出更高效的吸附式熱泵以維持數(shù)據(jù)中心的恒溫。

未來

從核心上講，數(shù)據(jù)中心的水平也就是其構(gòu)成的處理器的水平——且存在有改進的余地。自20世紀40年代以來，計算機每千瓦時(KWh)能量的運行次數(shù)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(chǎn)生的100億倍的改進。根據(jù)Koomey的計算，從某種程度上說，自2000年以來，改進速度已經(jīng)放緩，而當代計算機將在不久的幾十年內(nèi)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，在此之后實現(xiàn)可比較的效率提升將需要在硬件構(gòu)建和計算能力方面進行革命：可能需要轉(zhuǎn)向量子計算。 “這基本上不可能預(yù)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，信息產(chǎn)業(yè)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(wěn)的交通流量和更容易的拼車將使運輸業(yè)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%的建筑物在提高能效方面具有巨大的發(fā)展空間：智能供暖和制冷，連接建筑的傳感器和天氣預(yù)報，可以節(jié)省10%的未來能源需求。

總部位于Brussels的行業(yè)協(xié)會，全球電子可持續(xù)發(fā)展倡議組織的主任Chiara Venturini估計，IT行業(yè)目前的碳足跡減少了1.5倍，到2030年可能會增加近10倍。

 

 

信息通信技術(shù)(ICT)還可以通過讓可再生能源比化石燃料更具優(yōu)勢來幫助減少全球排放。 2010年，環(huán)保組織綠色和平組織發(fā)布了第一份ClickClean報告，該報告對主要公司進行了排名，并對IT行業(yè)的環(huán)境負擔進行了重點關(guān)注。

2011年，F(xiàn)acebook承諾100%使用可再生能源。 谷歌和蘋果緊隨其后于2012年做出相應(yīng)承諾。截至2017年，近20家互聯(lián)網(wǎng)公司也做了同樣的事情。(然而，百度，騰訊和阿里巴巴等中國互聯(lián)網(wǎng)巨頭并沒有跟隨。)在2010年前，IT公司對能源公司的可再生能源購買協(xié)議的貢獻微小;到2015年，他們占這些協(xié)議的數(shù)量達到了一半以上。谷歌是全球最大的可再生能源企業(yè)采購商。

減少對數(shù)據(jù)的渴望可能是防止能源使用進入超級驅(qū)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，占美國互聯(lián)網(wǎng)流量的三分之一以上。 UK Cheltenham的咨詢工程師、數(shù)據(jù)中心專家Ian Bitterlin說，僅在手機上禁用高清彩色攝像頭可以將歐洲的數(shù)據(jù)流量減少40%。

但是，他補充說，似乎沒有人敢制定這樣的規(guī)則。“我們不能把潘多拉盒子關(guān)上，”他說。 “但我們可以減少數(shù)據(jù)中心的能源消耗。”

相關(guān)報道：https://www.nature.com/articles/d41586-018-06610-y

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