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

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.