数据新闻大赛 参赛作品

“云端”碳中和,
我们在路上

2021 年 11 月,COP26 在苏格兰格拉斯哥举行,COP26 即第 26 届联合国气候变化大会,从 1995 年起,该会议每年召开以评估应对气候变化的进展。气候变化这一国际议题热度不减,碳排从何而来?你可能不知道,当你点开这篇文章时,碳排已经偷偷开始了……

#1.
性能提升的
黑色童话

摩尔定律,
魔法还是诅咒?

而这还得从世界半导体巨头英特尔说起。英特尔,是一家设计、生产大规模集成电路的公司,为全球个人及企业客户提供微芯片及相关服务。2003 年,该公司的创始人之一戈登·摩尔提出了著名的摩尔定律:

“集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔两年便会增加一倍。” [1]

简单来说,就是每隔两年,计算机的运行速度就会翻一番。

芯片的晶体管数量呈爆发式增长

想要探索数据细节?点击图表上方图示按钮即可筛选具体图表; 曲线为晶体管数量在时间维度的局部平滑估计,每一个点代表一款CPU型号和对应的发布年份、晶体管数量,点击看看它的数据吧。

数据来源:Transitor Count - WiKi 1970 - 2021

而作为计算机性能的重要衡量标准——CPU 晶体管数量——其增长在 2006 年以前基本保持稳定,随后迅速增加,特别是在 2018-2021 年出现井喷式增长。

计算机的性能也随之提升。

然而,递增增长的不只有晶体管数量,还有全球计算机的数量。

一方面,计算机性能在不断提升,另一方面,互联网主机的数量在急速增加,其实这还不一定是皆大欢喜的事情。

运算越来越快,功耗却难以驾驭

颜色代表样本范围,折线反应当年的平均值,滑动划片即可查看指定年份的数据

数据来源:CPU DB - 斯坦福大学 1971 - 2014

据数据 1971 年到 2012 年,芯片最大设计功率总体呈现上涨趋势,2006 年以前时钟频率急速增加,这一年达到短暂的高峰,随后保持较为稳定的状态,计算速度确实是快了,电表转得也不慢,从功耗来看仍处于较高水平。

互联网赖以运作的运算性能确实在不断提升,但功耗也逐渐“放飞自我”。

性能的进步固然能提高工作效率,但不该以失控的功耗作为代价。

#2 有计算的地方,
就有碳排

那么性耗比遭遇瓶颈,和碳排有关吗?回答这个问题前,我们先搞懂什么是性耗比。顾名思义,性耗比就是性能与耗能的比值。性耗比越低,意味着计算机达到同一性能需要消耗的能源越多,而消耗能源就在间接产生碳排。

没有电,计算器都不能帮你算数。而某种意义上,计算机所消耗的电量和二氧化碳排放直接挂钩。

而计算集中的地方,就埋藏着排碳“黑手”。

云计算中心就是其中之一。

所谓的云计算中心,是与云计算伴生的一项基于超级计算机系统对外提供计算资源、存储资源等服务的机构或单位,以高性能计算机为基础面向各界提供高性能计算服务。

云计算中心的一大特点就是——高性能。

高性能的云计算中心到底要消耗多少电量?

结构不断优化,但面对需求总体功耗仍不见少

面积代表耗能大小,不同颜色代表三种类型的数据中心,点击看看它的数据吧。

单位:TWh
数据来源:Statista 2015 - 2021
(注:2020与2021年数据为预测值)

据 Science 的一项研究,全球的计算中心设备(包括服务器、存储设备、网络设备)已经从 2010 年的 92 TWh 增长到 2018 年的 130 TWh。据估计,2020 年全球数据中心的电力使用量在 196TWh 到 400TWh 之间,这意味着数据中心将消耗全球电力需求的 1-2%[2]。然而,能源利用的效率增长与之相比却相差甚远。

不过,计算中心化并不是计算的主要趋势,相反,计算在逐步分散化,那是不是意味着碳排可以减少?

可惜并不是这样。

区块链是去中心化的典型,以其最大的应用之一比特币来说,自诞生而来,就仿佛红颜祸水般在全球掀起一场“挖币热”,虚拟的价值背后,则是更多的能耗与碳排。

比特币怎么又和碳排扯上关系了?先别晕,在搞清楚这个问题前,我们需要了解它的运作机制。

我们知道比特币本质上是一个去中心化的分布式账本数据库[3]。

在这场“游戏”中,谁先计算出随机哈希函数,谁就可以获得比特币和交易手续费作为奖励,这就是我们常说的“挖矿”。而这其中就需要计算机不停地计算,矿机的算力越强,挖矿速度越快,成功的概率也就越高。

数据显示,从 2009 年到 2012 年,芯片挖矿速度呈现指数式上升,而功率也相应地呈现倍数的增长,仅仅三年,就从 65W 增加到 1400W

芯片 投入矿机的年份 代表产品 挖矿速度(KH/S) 功率(W)
CPU 2009 Intel i7-6700 0.65 65
GPU 2010 GTX 1060 6G 0.75\times10^3 180
FPGA 2011 Spartan 6 1.35\times10^6 1323
ASIC 2012 蚂蚁 S9 1.30\times10^10 1400

2009 - 2012 年挖矿功率

数据来源:minershashrates 2021

功率不断提升的“矿机”需要什么支撑?还是电。

数据显示,截止到 2021 年 11 月 4 日,比特币的网络电力需求,其理论区间在 4.78GW 到 12.08GW 之间,年消费电量达到 105.87TWh。[4]

比特币在无限制增长,能耗也是

横坐标为时间,纵坐标为耗电量,左纵坐标为逐月耗电量,右纵坐标为累积耗电量。滑动时间轴划片即可查看指定年份数据。

单位:TWh
数据来源:剑桥大学比特币数据库 2010 - 2021

既然比特币消耗了这么多能源,那能产生什么相应的效益吗?答案是,不能。

每台挖矿的计算机都在算题,但最终胜出者只有一位。这也意味着庞大的算力大部分时候做的是无用功,而时至今日,挖矿的热度依旧未减。日前国家已经发布一系列的政策限制此类活动的进行,挖矿违法已经是板上钉钉。

然而除了比特币,还有更多……

利益面前,环境被放在次要地位。为了逐利,“矿工”多选择廉价的火电。巨量的电力被空耗,环境却要为此背锅。

#3.
解铃还须
系铃人

数字碳中和,
得从源头下手

云计算、大数据已经成为不可逆转的趋势。而这类的数字经济又带来巨大的电力消耗、二氧化碳排放压力却丞待解决。

在数字碳中和路上,我们又该何去何从?

苹果近年来在芯片上的努力,让我们看到了使用不同架构所带来的可能,曾经一度陷入瓶颈的状态,或许将迎来新的突破。

数据显示,除数据缺失的 2019 年,2016 至 2021 年的苹果 A 系列处理器核心数量从 3 增长到 10,晶体管基极从 1,3GHz 增长至 3,2GHz[5],处理器的架构逐年在优化。

架构的优化之外最值得关注的是性耗比的提高。今年苹果新发布的ARM架构的芯片更是将性耗比拉到了新的高度。这让我们看到了新的希望。

芯片制程突破,性耗比的魔咒将被打破

圆点越高,性耗比越高;圆圈越小,制程越先进。即刻点击探索详细数据。

数据来源:公开数据整理 1970 - 2021
性耗比计算方式:安兔兔性能跑分,以最高值做标准化处理;芯片TDP,以最高值做标准化处理;两者相比得到结果。

除了优化芯片架构,计算中心也是减排的一个切口。

为了衡量计算中心的能耗效率,一个新的指标运应而生,即 PUE(Power Usage Effectiveness),电源使用效率。

PUE = 数据中心总能耗/IT 设备能耗,其中数据中心总能耗包括 IT 设备能耗和制冷、配电等系统的能耗,其值大于 1,越接近 1 表明非 IT 设备耗能越少,即能效水平越好。

通常情况下,当一个数据中心开始稳定运行后,电力成本可以占整个数据中心日常运维支出成本的 50%-60%。对于数据中心来说,最理想的状态就是只有 IT 设备消耗电能,空调照明这些配套设备尽可能少的消耗电能。

传统计算中心的能源利用利率较低

点击图表上方图示按钮即可筛选具体图表,点击圆环图查看具体比例;其中不同颜色代表云计算中心各个环节的能耗量比例。

单位:%
数据来源:Fraction of U.S. data center electricity use in 2014, by end use. Source: Shehabi 2016.

数据显示,传统计算中心的能耗中,冷却及电力供应系统占到了总耗电能的43%,可见,数据中心的能源消耗巨大。因此,我国一线城市普遍将数据中心作为“高耗能产业”对待。

当然,数据中心的耗能是不是就毫无办法了?并不是,许多企业在减排提效方面正在不懈努力,比如 Google。

美国总务管理局 (GSA) 的一项案例研究表明,如果改为使用 Google Apps,企业可将办公室计算成本、能源消耗量和碳排放量减少 65-90%。同时数据显示,过去 12 个月 (TTM) Google 的 PUE 为 1.10,这个数据囊括了 Google 所有的大规模数据中心(达到稳定运维状态之后)、所有季节以及所有间接能耗来源。

因此,Goolge 的云平台让对应的计算中心减少了能源的消耗及碳排。

我国作为数字碳排大国,在数字减碳上也作出了自己的贡献。2020 年中国电子学会发布《中国绿色数据中心发展报告》,公布了我国目前数据中心的建设情况。

2019 年中国各类大中小微型数据中心大约有 7.4 万个,大约能占全球数据中心总量的 23%。预计到 2025 年,中国被创建、采集或是复制的数据总量将增长到 48.6ZB,在全球数据总量中占比达到 27.8%。

中国数据中心规模的快速增长的同时,也致力于推动数据中心的节能减排,开展了绿色数据中心建设工作。

数据显示,2015 年国家绿色数据中心试点工作中的数据中心年平均 PUE 为 2.2,与世界先进水平有较大差距。2018 年,降至 1.8 左右,2019 年进一步降低到 1.7 左右。我国在绿色数据中心上的减碳步伐在逐渐加快。

建设绿色计算中心,中国正在路上

每个柱状图代表不同规模数据中心的 PUE 水平,点击图表即可查看数据。

数据来源:《中国绿色数据中心发展报告》 2020

但是,从 2019 年统计的 203 个数据中各机柜规模等级的平均 PUE 数据来看,中国的数据中心能效水平仍有较大的提升空间,我们还在路上。

通信领域 互联网领域 公共机构领域
武清数据中心 中经云亦庄数据中心 中国科学院计算机网络信息中心信息化大厦
中国联通四川天府信息数据中心 腾讯天津滨海数据中心 丽水市公安局数据中心
中国移动(重庆)数据中心 阿里巴巴张北云计算庙滩数据中心 宁波市行政中心信息化集中机房
中国(西部)云计算中心 环首都·太行山能源信息技术产业基地 能源领域
中国移动长三角(苏州)数据中心 乌兰察布华为云服务数据中心 中国石油数据中心(吉林)
中国联通哈尔滨云数据中心 绿色海量云存储基地 金融领域
北京联通黄村 IDC 机房 数讯 IDXIII 蓝光数据中心 平安深圳观澜数据中心
中原数据基地 DC1 数据中心 京东云华东数据中心 中国邮政储蓄银行总行合肥数据中心
中国电信云计算内蒙古信息园 A6 数据中心 雅安大数据产业园 广发银行股份有限公司南海生产机房
中国电信上海公司漕盈数据中心 1 号楼 重庆腾讯云计算数据中心 中国人寿保险股份有限公司上海数据中心
中国电信云计算重庆基地水土数据中心 百旺信云数据中心一期 汉口银行光谷数据中心

 

数据来源:《中国绿色数据中心发展报告》 2020
*表中为部分数据,点击上面的链接即可下载完整名单。

2020 年底,国家工信部公布了 2020 年的绿色数据中心名单,其中不乏我们熟悉的名字,如移动、联通、阿里、腾讯等,60 家绿色数据中心的建设只是一个开始。

2021 年 8 月,工信部印发《新型数据中心发展三年行动计划(2021-2023 年)》,明确大力推动绿色数据中心创建、运维和改造。工信部明确提出,我国要用 3 年时间基本形成新型数据中心发展格局。其中,到 2021 年底,新建大型及以上数据中心 PUE 要降低到 1.35 以下。

    结语

全球极端天气愈演愈烈,近期我们身边的武汉、河南暴雨也在警醒我们环境保护、节能减排刻不容缓,世界各国都在竭尽精力地探求碳中和方法,而数据经济时代已经到来,计算产生的碳排还在继续,数字碳中和的道路依旧任重道远。

数字碳中和的路上,我们普通人能做什么?

今天用完电脑之后,记得关机……

参考文献

[1] Kanellos, Michael. Moore's Law to roll on for another decade . CNET. 2003-02-11
[2] Masanet, E., Shehabi, A., Lei, N., Smith, S., & Koomey, J. (2020). Recalibrating global data center energy-use estimates. Science, 367(6481), 984-986. https://doi.org/doi:10.1126/science.aba3758
[3] Hui DOU,Yong QI. An online electricity cost budgeting algorithm for maximizing green energy usage across data centers[J]. Frontiers of Computer Science,2017,11(4)
[4] 澎湃美数课. 马斯克翻脸比特币,因为它不太环保. 2021-5-14.

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