Dlaczego serwery potrzebują tak ogromnych ilości energii?

Kiedy korzystamy z internetu, większość wykonywanych przez nas czynności wydaje się niemal natychmiastowa. Wysyłamy wiadomość, oglądamy film w wysokiej rozdzielczości, zapisujemy zdjęcia w chmurze albo uruchamiamy grę online. Wszystko dzieje się po kilku kliknięciach. Łatwo więc zapomnieć, że za tym pozornie niematerialnym światem stoją ogromne centra danych, pełne komputerów pracujących bez przerwy. A komputery te potrzebują energii. I to w naprawdę dużych ilościach.

Nie chodzi jednak wyłącznie o same serwery. Na zużycie energii całego centrum danych składają się również systemy chłodzenia, zasilania awaryjnego, sieci oraz cała infrastruktura potrzebna do utrzymania urządzeń w działaniu przez 24 godziny na dobę, 365 dni w roku.

Serwer nie może po prostu przestać działać

Zwykły komputer może zostać wyłączony na noc. Serwer obsługujący popularną stronę internetową, bank, sklep czy platformę streamingową nie ma takiego komfortu. Użytkownicy korzystają z usług o każdej porze dnia i nocy, dlatego infrastruktura musi pozostawać aktywna praktycznie bez przerwy.

Każda operacja wymaga pracy procesora, pamięci RAM, dysków i układów sieciowych. Jedno żądanie użytkownika może wymagać niewielkiej ilości energii, ale współczesne serwisy obsługują jednocześnie miliony lub nawet miliardy operacji. Skala robi tutaj ogromną różnicę.

Wystarczy pomyśleć o serwisie streamingowym. Jeden użytkownik oglądający film nie stanowi dla centrum danych dużego obciążenia. Problem pojawia się wtedy, gdy dokładnie to samo robią miliony osób jednocześnie. Serwery muszą przetwarzać dane, przesyłać je przez sieć i zarządzać ogromną liczbą połączeń.

Największym problemem staje się chłodzenie

Paradoksalnie serwerownia nie zużywa energii tylko po to, żeby wykonywać obliczenia. Znaczna część energii jest pośrednio potrzebna do pozbywania się ciepła.

Każdy pracujący układ elektroniczny generuje ciepło. Im większa moc obliczeniowa, tym większa ilość energii zamieniana jest na ciepło, które trzeba odprowadzić. W przypadku pojedynczego komputera wystarczy wentylator. W centrum danych znajduje się jednak tysiące urządzeń pracujących jednocześnie.

Dlatego stosuje się potężne systemy klimatyzacji, wentylatory, wymienniki ciepła, a coraz częściej także chłodzenie cieczą. W najbardziej wymagających środowiskach niektóre komponenty mogą być chłodzone bezpośrednio za pomocą specjalnych cieczy.

To oznacza, że energia zużywana przez serwer nie kończy się na jego procesorze. Trzeba jeszcze zapewnić warunki, w których będzie on mógł bezpiecznie pracować.

AI zmieniło skalę problemu!

Jednym z powodów gwałtownego wzrostu zapotrzebowania na energię jest rozwój sztucznej inteligencji.

Tradycyjny serwer może wykonywać typowe zadania związane z obsługą stron internetowych, baz danych czy przechowywaniem plików. Systemy AI potrzebują natomiast ogromnej mocy obliczeniowej, szczególnie podczas trenowania dużych modeli oraz generowania odpowiedzi w czasie rzeczywistym.

Do takich zastosowań często wykorzystuje się akceleratory obliczeniowe, takie jak nowoczesne procesory graficzne i inne wyspecjalizowane układy. Ich pojedyncze moduły mogą pobierać setki watów, a w jednym serwerze może znajdować się ich wiele.

Teraz wystarczy pomnożyć to przez tysiące serwerów.

W efekcie centrum danych przeznaczone dla sztucznej inteligencji może potrzebować wielokrotnie więcej energii niż klasyczna serwerownia o podobnej powierzchni. Co więcej, większe zużycie energii oznacza również większą ilość wydzielanego ciepła, więc ponownie wracamy do problemu chłodzenia.

Energia jest potrzebna także wtedy, gdy niczego nie robisz

Kolejną rzeczą, o której łatwo zapomnieć, jest fakt, że serwerownia musi być gotowa do pracy cały czas.

Nawet jeśli w danej sekundzie konkretny serwer nie wykonuje intensywnych obliczeń, urządzenie nadal pozostaje włączone. Musi utrzymywać pamięć, połączenie z siecią, system operacyjny i gotowość do przyjęcia kolejnego zadania.

Do tego dochodzą urządzenia sieciowe, macierze dyskowe, systemy bezpieczeństwa, monitoring oraz infrastruktura zasilająca.

Centrum danych jest więc bardziej podobne do ogromnej fabryki działającej bez przerwy niż do zwykłego pomieszczenia pełnego komputerów.

Nie tylko serwery pobierają prąd!

Same maszyny obliczeniowe to jeszcze nie wszystko.

Centra danych potrzebują zasilaczy, UPS-ów, rozdzielni elektrycznych, generatorów awaryjnych oraz systemów pozwalających dostarczać energię do każdego urządzenia. Wszystkie te elementy mają własne straty energetyczne.

W praktyce oznacza to, że dostarczenie określonej ilości energii do procesorów wymaga zużycia większej ilości energii na poziomie całego obiektu.

Dochodzi do tego infrastruktura chłodzenia. Pompy, wentylatory i sprężarki również potrzebują prądu.

Właśnie dlatego w przypadku centrów danych patrzenie wyłącznie na pobór energii samych serwerów byłoby sporym uproszczeniem.

Dane nie są „w chmurze”

Sama nazwa „chmura” potrafi stworzyć złudzenie, że nasze pliki znajdują się gdzieś w abstrakcyjnej przestrzeni internetu. W rzeczywistości są przechowywane na konkretnych dyskach znajdujących się w konkretnych budynkach.

Zdjęcie wrzucone do chmury musi zostać zapisane. Film musi być przechowywany na serwerach. Kopie zapasowe również muszą fizycznie znajdować się na nośnikach.

Co więcej, najbardziej popularne dane często są kopiowane i przechowywane w wielu lokalizacjach. Ma to poprawiać dostępność usług i zmniejszać ryzyko utraty danych, ale jednocześnie oznacza większe zapotrzebowanie na przestrzeń, sprzęt i energię.

Problem będzie prawdopodobnie coraz większy

Rosnące zużycie energii przez centra danych nie jest przypadkowym efektem ubocznym rozwoju technologii. Zapotrzebowanie na moc obliczeniową stale rośnie.

Przechowujemy coraz więcej danych. Oglądamy materiały w coraz wyższej jakości. Korzystamy z usług działających w czasie rzeczywistym. Rozwijają się gry w chmurze, generatywna sztuczna inteligencja, analiza obrazu, autonomiczne systemy czy skomplikowane modele naukowe.

Każdy z tych procesów wymaga infrastruktury.

Największym wyzwaniem nie będzie więc samo zbudowanie większej liczby serwerów. Problemem staje się zapewnienie im wystarczającej ilości energii oraz odpowiedniego chłodzenia.

Czy da się zużywać mniej energii?

Firmy oczywiście próbują ograniczać ten problem. Projektuje się wydajniejsze procesory i akceleratory, stosuje bardziej efektywne systemy chłodzenia, optymalizuje oprogramowanie i wykorzystuje energię ze źródeł odnawialnych.

Duże znaczenie ma również lokalizacja centrum danych. Budynek znajdujący się w chłodnym klimacie może przez część roku wykorzystywać naturalne warunki do chłodzenia infrastruktury, ograniczając pracę klimatyzacji.

Nie oznacza to jednak, że technologia nagle stanie się energooszczędna. Rosnąca efektywność pojedynczych urządzeń może być jednocześnie neutralizowana przez ogromny wzrost liczby wykonywanych obliczeń.

To trochę jak z samochodami. Nowe auta mogą być bardziej oszczędne, ale jeżeli jednocześnie zaczynamy jeździć znacznie więcej, całkowite zużycie paliwa nie musi spaść.

Internet ma swoją fizyczną cenę

Jedną z największych pułapek myślenia o technologii jest traktowanie internetu jako czegoś niematerialnego. Kliknięcie przycisku wygląda niewinnie. Obejrzenie filmu na smartfonie wydaje się zwykłą czynnością. Zapisanie pliku w chmurze trwa kilka sekund.

Za każdym z tych działań stoi jednak fizyczna infrastruktura.

Są serwery, dyski, procesory, kable, routery, systemy chłodzenia i ogromne ilości energii elektrycznej. Im więcej usług przenosimy do sieci i im bardziej wymagające stają się te usługi, tym większa infrastruktura jest potrzebna do ich obsługi.

Dlatego pytanie o zużycie energii przez serwery jest w rzeczywistości pytaniem o cenę całego cyfrowego świata.