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在美国俄勒冈州一个名叫普莱恩维尔的小镇上，有三个巨大的脸书数据中心。你上传到脸书的度假照片可能就存储在这里，该公司计划再建两个数据中心。在这些比航空母舰还大的工厂里，成千上万的电路板在货架上成排展示，一直延伸到没有窗户的大厅尽头，长到工作人员不得不骑着滑板车。

脸书位于瑞典卢雷奥的数据中心。

资料来源:乔纳森·纳克斯特兰德/法新社/盖蒂

这些巨大的建筑是新产业之王——信息提供商的宝库。就市值而言，全球前五大公司分别是苹果、亚马逊、Alphabet、微软和脸书，取代了壳牌和埃克森美孚等巨头。虽然信息工厂不会排放黑烟，不会发出嘎吱嘎吱的齿轮声，但这并不意味着它们不会对环境产生影响。随着互联网和手机流量需求的快速增长，信息产业的能耗也将出现爆发式增长。

资料来源:安德拉和埃德勒

目前数据中心每年耗电约200 TWh，超过伊朗等部分国家的用电量。然而，电力消耗仅为全球交通电力消耗的一半，相当于全球电力需求的1%(见“能源规模”)。数据中心约占全球碳排放的0.3%，而信息和通信技术(ICT)生态系统——包括个人数字设备、移动电话网络和电视的广义定义——占全球碳排放的2%以上。这使得ICT的碳足迹与航空空行业的碳足迹相等。

未来会发生什么很难预测。但最令人担忧的一个模型预测，当今天的孩子成长为青少年时，ICT的用电量将超过全球用电量的20%，其中数据中心占1/3以上(见“能源预测”)。如果比特币这种计算密集型加密货币继续发展，能源需求的急剧增加可能会提前一天到来(见比特币咬人)。

比特币咬人

自2008年比特币诞生以来，人们越来越担心挖币会导致能源需求快速增加。虚拟货币由矿工开采，他们将购买专门的服务器来处理不断扩张的区块链-区块链的时间密集型计算，可以证明这种新加密货币的有效性。国际专业服务公司普华永道的数据顾问Alex de Vries表示，到2018年中期，全球比特币矿工每年将消耗20 TWh的电力，低于数据中心使用量的10%，占全球总用电量的比例不到0.1%。然而，关于他们的用电量将以多快的速度增长的预测是有争议的。

德弗里斯估计，到目前为止，比特币正在消耗全球至少0.33%的电力，如果加上以太坊等其他加密货币，这一数字将升至0.5%。“我觉得很震撼。”德弗里斯说。但是其他人，包括加利福尼亚州的加密货币研究员马克·贝万德，认为这些数字被夸大了，它们是基于粗略的假设。贝万德估计，到2019年1月，最低能耗将达到目前Vries估计值的一半。“确实有增长，但大家都在夸大其词。”加州IT顾问乔纳森·库米(Jonathan Koomey)表示，目前正在收集加密货币的用电数据。

目前，比特币挖矿只有在电价便宜的地方才有利可图，包括中国、冰岛和北美哥伦比亚河沿岸水电丰富的地区(贝万德认为，这里所谓的便宜是指电价约为全球平均水平的一半)。当比特币矿工进入一个地区并对电网施加压力时，能源公司将通过提高费用做出回应。这可能会促使矿工关闭系统或采取措施来大大提高其硬件或系统冷却的能效。

贝万德表示，比特币可能会迁移到一个能源密集度较低的区块链系统(正如以太坊正在计划的那样)。或者，Koomey指出，“如果比特币因为某种原因崩溃；所有这些设施都将消失。”

尼古拉·琼斯

目前，尽管对数据的需求不断增加，但ICT的功耗几乎保持稳定。这是因为互联网流量和数据负载在增加，同时能源效率也在提高，例如关闭旧的设施，代之以像普林维尔镇那样的超高效中心。

然而，这种乐观的局面可能不会持续10年。美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室数据中心能源效率中心负责人戴尔·萨托说，“目前的趋势是好的，但不能保证5-10年后会是什么样。”

随着未来能源短缺的临近，学术实验室的科学家和世界上一些最富有的公司的工程师开始探索如何控制ICT行业对环境的影响。他们正在简化计算过程，转向可再生能源，并研究冷却数据中心和回收废热的更好方法。

伊利诺伊州西北大学工程师埃里克·马萨内特(Eric Masanet)表示，必须“严格控制”ICT的能耗。Masanet是国际能源署(IEA)去年关于数字化和能源报告的合著者。他说，如果我们想未雨绸缪，那么我们应该控制未来的能源需求。

“我们处在一个对数据非常渴求的社会，数据的使用量越来越大，消耗的能源也越来越多。”

转换高速公路

也许对ICT未来能源需求最令人震惊的预测来自华为瑞典公司负责ICT可持续发展的Anders Andrae。他预测，到2030年，数据中心的耗电量将增加约15倍，达到全球预计耗电量的8%。

这些令人震惊的数字引起了很多争议。Masanet说:“多年来，人们对ICT的能耗做出了许多耸人听闻的预测，后来都被证明是危言耸听。”去年，IEA的报告预测，尽管2020年数据中心的工作量将呈爆炸式增长——是2014年的3倍——但能效的提高意味着电力需求只会增加3%。一些研究人员表示，到2020年，随着智能手机逐渐取代更大的设备，ICT碳足迹甚至会减少。

在过去的五年中，数据中心的电力需求保持稳定，部分原因是“超大规模数据中心的转型”——即超高效信息工厂的兴起。这些工厂采用有组织的统一计算架构，可以轻松扩展数十万台服务器。

开放计算项目的首席技术官比尔·卡特(Bill Carter)告诉我们，超大规模数据中心出现在大约10年前，当时亚马逊和谷歌等公司对服务器的需求开始超过25万甚至更多。当时按照常规做法，使用计算公司现有的硬件是没有意义的。

“您有机会一层一层地简化它，直到它正好是您需要的，使它特别适合您的应用。”卡特说。新的超大规模数据中心专门设计了准系统服务器。“因为没有视频显示器，我们把视频接头拆了；因为没有人在行李架上行走，所以我们取消了闪光灯。服务器上也没有螺丝。”卡特说。平均而言，超大规模数据中心的一台服务器相当于传统中心的3.75台服务器。

信息和通信技术占全球碳排放量的2%以上。

资料来源:SVTeam/Getty

超大规模数据中心的成本节约可以从它们的电力效率(PUE)中得知，电力效率是所有操作所需的电力——包括灯和冷却系统——除以计算的电力消耗(1.0的PUE是满分)。传统数据中心的PUE一般为2.0；超大规模数据中心将这一数字削减至1.2左右；而谷歌所有的中心都达到了令人印象深刻的1.12。

陈旧或技术落后的数据中心设备混杂在一起，可能难以优化——其中一些甚至毫无用处。2017年，来自加州的IT顾问、国际领先的IT专家乔纳森·库米(Jonathan Koomey)与一名同事一起，调查了隐藏在企业壁橱和地下室中的16000多台服务器，发现其中1/4是“僵尸”，它们在无所事事的情况下消耗电力——可能只是因为有人忘记关闭它们。“这些服务器呆在那里什么都不做，消耗电力，这太多了。”库米说。

劳伦斯伯克利国家实验室在2016年的一份报告中估计，如果将美国小型数据中心80%的服务器迁移到超大规模数据中心，那么能耗将节省25%。这项工作已经在进行中。

今天，全世界大约有400个超大规模数据中心，其中许多服务于小公司或大学。过去，这些机构都有自己的服务器。目前，超大规模数据中心占全球数据中心功耗的20%。据IEA预测，到2020年这一比例将达到近50%(见“超大规模数据中心改造”)。

资料来源:国际能源机构

热和冷之间的战争

当超大规模数据中心的负载达到极限时，效率很难进一步提高。但是，企业还是在努力。例如，有一种新兴的管理技术可以确保服务器尽可能长时间地满负荷运行，而其他服务器则关闭而不是闲置。

脸书开发了一个名为Autoscale的系统，可以减少低流量时间所需的服务器数量；该公司在2014年的一份报告中指出，测试显示这一系统减少了约10%-15%的电力消耗。

降低超大规模数据中心PUE的重要途径之一就是解决散热问题。在传统数据中心，标准空调制设备的用电成本占40%。但是冷却塔——也就是通过蒸发水来冷却空气体——会导致另一个环境问题:水的消耗。据估计，2014年，美国的数据中心使用了大约1000亿升水。抛弃压缩机冷却器和冷却塔，不仅节能，还节水。

一种流行的解决方案是将数据中心设置在凉爽的气候中，让外部空空气吹进来。这样的数据中心不需要在寒冷地区。IBM研究所的物理学家英格玛·梅耶尔(Ingmar Meijer)表示，Prein ville足够冷，可以使用所谓的“自然空气体冷却”，其他许多数据中心也是如此。

在谷歌位于俄勒冈州的数据中心，蓝色管道输送冷水，红色管道输送需要冷却的温水。

来源:康妮·周/谷歌/祖马

自来水是较好的导热体，数据中心可以用温水冷却，这样冷却系统中生产和回收的能耗就少了。即使在温带气候下，温水冷却也成为管理运行速度快、易发热的高性能计算机冷却的最佳选择，包括美国能源部的实验室和德国巴伐利亚科学院的SuperMUC超级计算机。

温暖气候下的商业数据中心有时会投资这些系统，例如易贝位于亚利桑那州凤凰城的水星计划数据中心。

对于高密度和高功率计算，最有效的方法是将服务器浸入不导电的油或矿物中。脸书在2012年试图这样做，以保持服务器高速运行，但避免过热。梅耶尔说，目前，浸没冷却是一个非常难以维护的专业领域。

2016年，谷歌指派DeepMind人工智能研究团队调整公司数据中心的冷却系统，以适应天气和其他因素。谷歌表示，在测试过程中，该团队将电力成本降低了40%，并创造了“测试数据中心历史上最低的PUE”。今年8月，谷歌宣布一些数据中心的冷却系统采用了其人工智能算法。

卡特表示，探索创新的冷却方案并降低现有冷却方案的成本将在未来几年变得非常重要。“当我们连接世界时，将会有我们无法享受自然空气体冷却的地方。”他指的是非洲和南亚。与此同时，其他发展将以新的方式对IT基础设施产生重大影响。

例如，如果自动驾驶汽车来到街头，用于帮助这些汽车通信和处理数据的移动信号塔的小型服务器将需要能够实时处理AI工作负载的大功率设备，还需要更好的冷却系统。

今年，开放计算项目启动了一个高级冷却项目，旨在提高高效冷却系统的可用性。卡特说，“这些超大规模数据中心已经找到了解决方案。他们效率很高，我们也在努力帮助别人。”

资料来源:国际能源机构/A. Andrae

补充冷却系统效率的提升，就是利用服务器的余热，这样就可以节省其他地方的电力需求。“这就像是一个免费的资源。”IBM研究员帕特里克·鲁奇说。举几个例子:巴黎的孔多塞数据中心将其废热直接发送到附近的气候变化植物园，科学家们在那里研究高温对植物的影响。

在瑞士，一个IBM数据中心还为附近的一个游泳池供暖。但是，热量不能很好地传递，因此余热利用往往仅限于靠近数据中心或使用管道热水为家庭供暖的城市的客户。

分散在各地的数据中心可以让余热得到更广泛的利用，包括尝试将其转化为电能。也有地方想利用余热来运行冷却设备。例如，IBM投资200万美元的THRIVE项目正在开发全新的材料，可以更好地吸收水蒸气，并在加热时释放出来，从而创造出更高效的“吸附热泵”来冷却数据中心。

电力

归根结底，数据中心的容量取决于它们的处理器——而处理器是升级的空。自20世纪40年代以来，每千瓦时电力消耗的计算机操作的峰值数量每1.6年翻一番，平均数量每2.6年翻一番。也就是说50年增加了100亿倍。根据Koomey的计算，在某种程度上，自2000年以来，计算机的提升速度已经放缓，而当前这一代计算将在几十年内遇到限制晶体管功能的物理障碍。

"我们正面临着降低提升速度的限制."库米说。他认为，为了在未来实现可观的效率提升，有必要在硬件建设和计算方面做出改变:或许可以转向量子计算。“基本不可能预测。”库米说。

虽然核心重点是降低ICT的能耗，但值得注意的是，信息产业也可以让我们在其他地方的能源利用更加智能和高效。

IEA指出，如果所有车辆都实现自动化，有一种乌托邦式的可能性，即稳定的交通流量和轻松的拼车将使交通行业的总能源需求减少60%；在过去的25年中，建筑物占全球电力需求增量的60%，在提高能效方面有巨大的进步空:基于建筑物传感器和天气预报的智能加热和冷却可以在未来将建筑物的能源需求降低10%。

位于布鲁塞尔的行业协会全球电子可持续发展倡议(Global E-Sustainability Initiative)的主任基亚拉·文图拉尼(Chiara Venturini)估计，目前IT行业的碳足迹已经减少了1.5倍，到2030年这一数字将接近10。

信通技术还可以通过用可再生能源替代化石燃料来减少全球碳排放。2010年，环保组织绿色和平(Greenpeace)发布了首份ClickClean报告，对主要公司进行了排名，并重点关注了由此带来的环境负担。

2011年，脸书承诺使用100%可再生能源；2012年，谷歌和苹果紧随脸书之后。2017年，近20家互联网公司采取了同样的做法(然而，中国互联网巨头百度、腾讯和阿里巴巴没有效仿)。

早在2010年，IT公司对能源公司的可再生能源购买协议贡献不大；到2015年，他们的贡献率已经达到一半(见“绿色增长”)。谷歌是世界上最大的可再生能源采购公司。

资料来源:国际能源机构

减少对数据的需求可能是防止能源消耗无限增长的最终方法。但恐怕很少有人认同，比如少看网飞(网飞占美国互联网流量的1/3)。英国咨询工程师、数据中心专家伊恩·比特林(Ian Bitterlin)表示，仅禁用手机上的高清彩色摄像头，就能使欧洲的数据流量减少40%。但他补充说，没有人敢制定这样的政策。“我们无法再次盖上潘多拉魔盒，但我们可以降低数据中心的耗电量。”