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.
Автор: Дата-центр "Миран"
