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云端服务需求激增 数据机房面临绿色能源挑战
新冠肺炎正带来新的能源危机

【作者: 盧傑瑞】2020年06月09日 星期二

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因为新冠状病毒(COVID-19)的影响,分析师认为目前全球各地透过各种方式在家中进行工作,而造成网路流量出现相当显着的增加。从线上购物到视讯游戏,再到串流电影,这种数位式的人与人之间的交流方法正在迅速普及以及改变中。因此到目前为止,网路系统运作对於云端架构的依赖性正不断的增加。


利用人工智慧反而使用了更多的能源

云端服务在新型冠状病毒危机中的作用并不仅限於视讯会议或视讯聊天,而是已经扩充到可以实现远端医疗的目标,例如,能够简易的自我诊断症状的APP,强化X光检查能力,以利用人工智慧来追踪可疑病患或接触者都已经开始被实际的应用。


另外,透过云端的服务,可以协助研究人员快速创建临床讯息的资料湖泊(Data Lake),并扩大利用探索治疗方法和新型疫苗,而且现代的超级电脑计算能力更可以提供天文业界更多的观察或模型模拟助力。


不可否认的云端服务是相当重要的基础架构。这将重新定义许多事项的优先顺序。因此仅仅在几个月前,全球各高科技产业的大公司们,相竞发表了关於推广绿色能源,以减少能源的使用和运营环境。


正如在2020年3月时,国际能源机构(IEA)执行董事法提赫·比罗尔(Fatih Birol)的一份关於风能和太阳能未来的声明中表示,目前日益依赖数位技术的社会,突显了决策者在极端条件下,更需要仔细评估灵活性资源的潜在可用性的需求。



图1 : 新型冠状病毒对云端服务市场的机会
图1 : 新型冠状病毒对云端服务市场的机会

云端服务隐藏了更高昂的电力成本

利用太阳能和风能技术提供高可靠性的电力仍然非常昂贵。那些声称太阳能/风能达到「廉价电力(等於或低於现有的电费)」的人并没有考虑现实。根据数据显示,在欧洲,风能和太阳能发电所占比例远高於美国(更不用说台湾),电力网路kWh的总体成本要高出约200%至300%。


实际上,许多这样的现实被事实隐藏了,也就是说云端服务的能源发展与个人需求呈相反的趋向。例如,消费者可以看到汽车油箱中的汽油有90%,都会被花费在引擎运作後带动汽车的行走,但是当消费者使用智慧型手机连接上网时,有99%的能源是被消耗隐藏在庞大,但几??看不见的远距云端基础架构中。


对於那些不熟悉这些领域的人来说,为云端服务提供动力的数位运算引擎是位於数千个看不见的数据中心中,在数据中心里,排列着大量的冰箱大小的数据设备,这些数据设备更是几??满载运行的处理消费者应用程式中所需的爆炸性的增长数据量。甚至许多专家都惊讶地发现,这样的机台每年消耗的电力比50台特斯拉(TESLA)还要多。



图2 : 全球网络和数据中心到惊人的能源消耗,发展到现在每年大约使用2000TWh的电力的系统。(source:datacenterknowledge)
图2 : 全球网络和数据中心到惊人的能源消耗,发展到现在每年大约使用2000TWh的电力的系统。(source:datacenterknowledge)

最重要的是,这些数据中心配备了由玻璃纤维组成的大约10亿英里(约16亿公里)的资料网路,以及由400万个行动基地台所创建的虚拟高速公路系统,来连接到发送和接收数据的终端。


因此,全球资讯基础设施-从网络和数据中心到惊人的能源消耗,已经从几十年前的根本不存在的需求,发展到现在每年大约使用2000TWh的电力的系统,这是全球每年500万辆电动汽车所消耗电力的100倍以上。从个人角度来看,这意味着每一个智慧手机每年使用的平均电量要大於普通家用冰箱所消耗的电量,而这些所有估计值都是基於几年前的技术情况。


数位化将不可避免地消耗更多的能源

一些分析家认为,尽管近年来数位通讯流量急速激增,但是因为技术的进步所带动效率提高,使得数据中心的能源使用量成长已有趋缓的情况。但是这样的看法是基於大环境不变的基础上,事实上自2016年以来,数据中心的规模无论在硬体和建筑物上的都急剧增加,同时而硬体功率密度也有显着增加。


与过去十年相比,最近五年已经建立了更大和更多的数据中心。甚至还有新的「超大规模」数据中心正被提出来。这些充满矽的建筑物,每个建筑物都超过一百万平方英尺。在当今世界上与帝国大厦一样大的摩天大楼不到50个,但是地球上已经有大约500个超大规模数据中心,而这些超大规模数据中心总共需要相当於6000多座摩天大楼的能源。


但是在能源方面,人工智慧使用了大量的数据和耗电的晶片,目前全世界产业都已经计画使用大量此类AI晶片。通常,机器学习上花费的计算能力每隔几个月就会翻倍,这是摩尔定律的一种超变。例如,Facebook将AI视为导致2019年数据中心用电量每年增加一倍的主要原因。


除此以外,最近的趋势是在边缘(Edge)上靠近客户建立微数据中心。将基於AI的智慧能力从远端数据中心引入到实时应用环境中,例如会议和游戏的VR、无人驾驶汽车、自动化制造或智能医院和诊断系统等(医疗中的数据和能源强度本身已经很高,现在还在快速增加中,例如医院的每平方英尺的能量消耗,是一般商业建筑物的5倍)。边缘数据中心预计在未来10年内将增加100,000兆瓦(MW)的电力需求。


三大云端服务业者的绿色数据中心策略

如果提供云端服务的公司能够挺身而出,采取对环境更友善的策略和态度,那麽相信可以大幅度减少二氧化碳排放量。然而实际上,并非完全如此,因为企业主要目的是追求利润,如何减少其对环境的影响大多仅仅是策略与规划。在云端服务这一领域中,Amazon,Google和微软提供的服务约占全球市场的2/3。


Google透过机器学习提高数据中心的效率

就目前统计资料来看,Google在三巨头中所占的市场比率最小,但在降低碳排放方面比其他两个方面做出了更多努力。2017年时Google表示在包括Cloud Services在内的所有业务中,都实现了完全可再生能源。根据Google的说法,Google Cloud处理所有业务所需的能源均为「零二氧化碳排放量」电力。


Google的「可再生能源购买量是世界上最大的公司」,并在2019年宣布通过全球新合约将增加40%的购买量。新合约将为可再生能源发电设施的建设提供资金,并在完成後从其获得电力。


Google还将透过机器学习提高数据中心的效率。例如,让人工智慧(AI)学习天气数据以优化冷却系统。数据中心运营??总裁Joe Kava曾表示,该系统每五分钟测量一次各种气象条件,并进行一些细微的调整,例如在温度急剧下降时降低冷却系统。



图3 : Google在欧洲的资料中心,将大量的使用再生能源。(source:Google)
图3 : Google在欧洲的资料中心,将大量的使用再生能源。(source:Google)

Google每年都会对所有业务进行碳估算,并在会计年度结束时,将电力消耗和可再生能源购买调整为相等。另一方面,为了提高现有发电设备的效率,2019年初,Google的AI部门Deep Mind开发了一种机器学习模型,可以预测未来36个小时的风能输出,能更有效地利用风力进行发电。


Microsoft最终目标是关闭数据中心

微软的最终目标是透过完全消除伺服器机房的环境影响来「关闭数据中心」。自2012年以来,微软在一些机房中已经实现碳中和,并实现了100%的可再生能源,包括2014年开始进行购买REC的策略。目前微软有实施自己气候变化的策略,例如对CO2排放徵收内部「碳税」。


此外,微软还热衷於投资环境项目。在2019年4月,微软签署了一项购买华盛顿州未来五年水力发电的合约,另外,微软也正和华盛顿州进行谈判,希??从风力发电设施获得电力供应。微软也已经从北卡罗来纳州的74兆瓦太阳能发电厂购买电力。


微软能源与可持续发展战略团队成员Brian Janus表示,微软根据一系列合约购买的可再生能源发电总量比2018年前增加了约60%,在2019年达到1.9 GW。同时,微软还在进行提高云端设备能源效率的研究和实验,并於2018年建立了海底数据中心,透过海洋的冷却设备来降低能源成本。微软更积极研究使用燃料电池作为数据中心电源的可能性外,还将与Google一起使用机器学习模型来提高基础设施的效率。


根据微软数据中心的电力能耗规划,从2014年的数值开始应该是100%都是可再生能源,但是很大一部分是来自REC的购买金额相加,因此实际上还是采用了相当大比例来自化石燃料所产生的电力。


Amazon 的四个再生能源计画

Amazon的AWS是全球最大的服务提供者,市场占有已经超过了1/3。在2014年时,Amazon的首席执行官Jeff Bezos透露了一项长期计划,Amazon的数据中心将100%采用可再生能源。此後可以从各媒体报导或统计资料中发现,Amazon不断地建造了多个风力发电和太阳能发电设施。


2018年9月,Amazon面对来自员工抗议和股东的严格要求下,Jeff Bezose更进一步的宣布了40年的二氧化碳零排放政策。同时,也在2018年包括REC在内的可再生能源占其自身能耗的比例已经达到了50%。


所以Amazon对外宣布,未来几年将在全球范围内启动四个新的可再生能源计画,期??能为Amazon Web Services(AWS)运营的数据中心提供绿色电源。


这些新专案计画将在澳大利亚、瑞典、西班牙和美国维吉尼亚州开始,预计每年将产生约84万MWh的能源,这样的电力足够提供美国的7.6万个家庭用电所需。


Amazon表示,上述的这些专案计画将分别於2021年至2022年开始,同时也是整体计画的一部分,目标是到2024年时,能达到能有80%的电力是来自可再生能源,最终在2030年能完全达到100%的绿色能源电力。


目前Amazon已经在全球运营86个再生能源专案计画,以减轻其数据中心和其他基础设施的电力需求。


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