Rechenzentren verbrauchen viel Strom, bedrohen aber noch nicht das Klima

Feige. 1. Der Energieverbrauch historischer Rechenzentren in den Jahren 2010-2018 und die Prognose für die kommenden Jahre, in denen die nächste Verdoppelung der Anzahl von Computerinstanzen (Kernen) in Rechenzentren stattfinden wird, hat die

Nachfrage nach Rechenzentrumsdiensten (DPC) in den letzten zehn Jahren um ein Vielfaches zugenommen. Es wird durch die wachsende Beliebtheit von sozialen Netzwerken, Videos, mobilen Anwendungen und verschiedenen Cloud-Anwendungen angetrieben.

Im Jahr 2010 verbrauchten alle Rechenzentren der Welt ungefähr 194 TW · h, dh 1% des weltweiten Energieverbrauchs. Was passiert bei einem exponentiellen Wachstum im Computer? Es gab Schätzungen, dass der Stromverbrauch des Rechenzentrums drei- oder sogar viermal steigen kann. Siehe beispielsweise die Bewertung von Belhira und Elmeligi im Artikel „Bewertung des globalen Fußabdrucks von IKT-Emissionen: Trends bis 2040 und Empfehlungen“.(Journal of Cleaner Production, Band 177, S. 448).

Neuere Studien zeigen jedoch, dass es keinen Grund zur Panik gibt. Von 2010 bis 2018 stieg die Rechenleistung des Rechenzentrums um das 6,5-fache, der Energieverbrauch blieb jedoch in etwa auf dem gleichen Niveau (205 TWh, etwa 1%), sodass der Planet noch nicht bedroht ist.

Die Befürchtungen basieren auf den Trends von 2005 bis 2010, als der Energieverbrauch von Rechenzentren tatsächlich von 153 Terawattstunden (TWh) im Jahr 2005 auf 203 bis 273 TWh im Jahr 2010 anstieg, was sich auf 1,1 bis 1,3 beläuft 1,5% des weltweiten Stromverbrauchs (siehe JG Koomey, „Wachstum des Stromverbrauchs in Rechenzentren von 2005 bis 2010“, Analytics Press für die New York Times, 2011).

Seit 2010 hat sich die Situation jedoch dramatisch verändert. In einer neuen wissenschaftlichen Arbeit haben die Autoren Daten aus verschiedenen Quellen integriert, die kürzlich erschienen sind. Dieser Artikel wurde von mehreren führenden Energieexperten in Rechenzentren der Northwestern University, dem Lawrence Berkeley National Laboratory und dem Forschungsunternehmen Koomey Analytics (USA) verfasst.

Eine neue Analyse zeigt einen sehr bescheidenen Anstieg des Energieverbrauchs in den letzten Jahren. Insbesondere bis 2018 nahmen die Workloads und die Anzahl der Computerinstanzen um mehr als das Sechsfache zu, der IP-Verkehr um mehr als das Zehnfache. Die Kapazität der Speicher von Rechenzentren für diesen Zeitraum hat sich um das 25-fache erhöht. Es scheint, dass der Energieverbrauch in angemessenem Umfang hochgerechnet werden sollte. Aber nein: Seit 2010 hat sich der Stromverbrauch pro Server vervierfacht , hauptsächlich aufgrund technologischer Verbesserungen und einer Verkürzung der Leerlaufzeit.

Die Watt pro Terabyte installierten Speichers sanken aufgrund der Zunahme der Dichte und Effizienz von Laufwerken etwa neunmal .

Darüber hinaus hat sich das Wachstum der Anzahl der Server aufgrund einer Verfünffachung der durchschnittlichen Anzahl von Instanzen auf einem Server (aufgrund der Virtualisierung) erheblich verlangsamt.

Gleichzeitig hat sich im Zeitraum 2010-2019 die Qualität des Energieverbrauchs PUE (Power Usage Effectiveness) stetig verbessert. Dieser Wert wird als Quotient aus der Division des Gesamtenergieverbrauchs des Rechenzentrums durch den Energieverbrauch seiner IT-Geräte berechnet. Der Beitrag verschiedener Komponenten zur Änderung des PUE ist in der folgenden Abbildung dargestellt.


Feige. 2. Trends beim Stromverbrauch von Rechenzentren

Im Jahr 2018 stieg der weltweite Energieverbrauch von Rechenzentren auf 205 TWh, was einer Steigerung von nur 6% gegenüber 2010 entspricht, während die Gesamtzahl der „Computerinstanzen“ im gleichen Zeitraum (unter Computerinstanzen) um 550% zunahm. Die Rechenkerne der CPU sind in erster Linie gemeint.

Wenn wir den Energieverbrauch für eine Computerinstanz berechnen, ist die Energieintensität der Anzahl globaler Rechenzentren seit 2010 jährlich um 20% gesunken.

Der Gesamtenergieverbrauch von Rechenzentren in den Jahren 2010–2018 blieb praktisch unverändert, aber der Energieverbrauch von IT-Geräten (Server, Speichersysteme und Netzwerkgeräte) stieg von 92 auf 130 TW · h, was auf eine Steigerung der Effizienz von Rechenzentren hinweist. Mit anderen Worten, jetzt geht mehr Energie direkt an die Server und weniger an Hilfssysteme wie ein Kühlsystem. Gleichzeitig deutet dies auf eine Steigerung der technologischen und betrieblichen Effizienz der Infrastruktur hin: „Dieser Rückgang ist auf den anhaltenden Übergang von kleinen traditionellen Rechenzentren (79% der Computerinstanzen im Jahr 2010) zu großen und energieeffizienteren Cloud-Rechenzentren (einschließlich hyper-skalierbarer) Rechenzentren (89%) zurückzuführen Rechenbetrieb im Jahr 2018). ” Der Trend ist in der ersten Abbildung des Artikels deutlich sichtbar, siehe die dritte Grafik links.



Angesichts der ständig wachsenden Nachfrage nach Rechenzentrumsdiensten stellt sich jedoch die Frage, wie lange sich die aktuellen Energieeffizienz-Trends fortsetzen werden. „Die Vorhersage der langfristigen Leistungsgrenzen von IT-Geräten ist bekanntermaßen schwierig, insbesondere angesichts potenziell störender Technologien wie Quantencomputer, für die der Energieverbrauch unklar ist“, schreiben die Autoren. "Dennoch sagen Marktanalysten in naher Zukunft eine noch stärkere Servervirtualisierung voraus, und technologische Studien zeigen, dass IT-Geräte immer noch das Potenzial haben, die Energieeffizienz zu verbessern, einschließlich mehr Übergänge zu Speichergeräten mit geringem Stromverbrauch."

In Bezug auf die Infrastruktur laufen sehr große Rechenzentren von Weltklasse bereits mit PUE = 1,1 oder niedriger, was nahe am niedrigstmöglichen Wert liegt.

Die Forscher sagen voraus, dass der Übergang von kleineren traditionellen Rechenzentren zu effizienteren hyper-skalierbaren Rechenzentren kurzfristig fortgesetzt wird. Gleichzeitig "gibt es eine ausreichende Energieeffizienzressource, um die nächste Verdoppelung des Rechenbetriebs in Rechenzentren parallel zu einem leichten Anstieg des globalen Energieverbrauchs zu absorbieren."

Die Ergebnisse dieser wissenschaftlichen Arbeit widersprechen früheren Prognosen eines raschen und unvermeidlichen Anstiegs des Stromverbrauchs. Nein, ein schnelles Wachstum wird in den kommenden Jahren nicht erwartet. Das Rechenvolumen wird jedoch in den kommenden Jahrzehnten weiter zunehmen, sodass der Energieverbrauch im Rechenzentrum kontrolliert werden muss. Die Forscher empfehlen, die Einhaltung von Standards wie Energy Star für Server, Speicher und Netzwerkgeräte zu überwachen und eine Zertifizierung für das öffentliche Beschaffungswesen zu verlangen. Gerätehersteller müssen Anreize schaffen, um weiterhin innovative energieeffiziente Produkte herzustellen.

Studie veröffentlicht28. Februar 2020 in der Zeitschrift Science. Die Arbeit eines Teams amerikanischer Autoren heißt "Neukalibrierung der Schätzungen des Energieverbrauchs globaler Rechenzentren" (Doi: 10.1126 / science.aba3758).