По ту сторону смартфона: процессоры за $7000, тераватты энергии и парниковый эффект

По ту сторону экрана каждого смартфона, ноутбука и PC — сотни огромных серверов, прокачивающих свыше 60 терабайт трафика в секунду по всему миру. Социальные сети, стриминговые сервисы, игровые вселенные — все они «прописаны» на конкретном и осязаемом железе. Эти системы, состоящие из сотен процессоров, тысяч накопителей и миллионов кабелей, работают круглый год 24 часа в сутки. Они называются центрами обработки данных (ЦОД, или дата-центр).

В огромных помещениях дата-центров установлены тысячи серверов. По сути, они выполняют ту же работу, что и обычный домашний PC: хранят, передают и обрабатывают данные. Но огромные объёмы информации требуют соответствующего железа. Начинка серверов сильно отличается от той, что установлена в вашем десктопе. Так, их процессоры имеют в разы больше ядер (до 24), увеличенную частоту и кэш до 60 МБ. А теплоотвод рассчитан на 160 Вт — в полтора раза больше, чем у топового Intel Core i9. Цена мощного серверного Intel Xeon E легко переваливает за $7000.

Жёсткие диски с ёмкостью 10 ТБ — обычное дело в серверах ЦОД. В этом году Western Digital выпустила накопитель Ultrastar DC HC620 на 15 ТБ

Громадные объёмы данных надо где-то хранить, и у серверных жёстких дисков тоже своя специфика. Они подключаются по интерфейсу SAS. Он обеспечивает в два раза большую пропускную способность, чем привычный SATA, — до 12 Гбит/с. Как правило, диски располагаются в серверах своеобразными «бутербродами», что влечёт за собой повышенные вибрации. Поэтому у них усиленные шпиндели и множество возможностей контроля точности и самодиагностики. И, опять же, цена за все эти возможности гораздо больше, чем у «домашних» решений. Серверный накопитель на 10 ТБ вполне может стоить более 200 тысяч рублей.

Дата-центры ворочают гигантскими массивами информации. Они исчисляются в миллионах терабайт — эксабайтах. Чтобы передать один эксабайт через интернет-соединение со скоростью 100 Мбит/с, потребуется 3963 года. Компания Amazon даже предоставляет услугу переезда серверов в специальных грузовиках: это быстрее, чем копировать данные по сети.

Чтобы вместить такое количество работающего железа, требуется здание с особой конфигурацией. Дата-центр делится на три инфраструктуры. Первая — серверная, включающая шкафы с оборудованием. Вторая — сетевая, обеспечивающая связь с потребителем. Третья — инженерная, отвечающая за кондиционирование, контроль доступа и бесперебойное питание. Мощность ИБП дата-центров составляет сотни киловатт. Такие «бесперебойники» занимают целые складские комплексы. Они состоят из десятков и даже сотен аккумуляторов, дополнительно подключённых к дизель-генераторным подстанциям с достаточным запасом топлива.

Дата-центры занимают огромные территории. Крупнейший в мире принадлежит китайской China Telecom. Его площадь — 1 000 000 кв.м.

Энергетические вампиры

Вычислительная мощь миллионов серверов дорого обходится человечеству, и речь не о стоимости оборудования. Серверное железо потребляет сотни мегаватт электричества. И нагревается соответственно. А ещё для бесперебойной работы нужно постоянно поддерживать заданную влажность и чистоту воздуха. Системы кондиционирования, которые отвечают за это, ещё больше нагружают электросеть. Энергопотребление ЦОД впору сравнивать с крупнейшими заводами и даже целыми странами.

К примеру, подведённая мощность серверов одного лишь Ростелекома составляет 35 мегаватт: этого хватит на питание трёх тысяч квартир с полным набором бытовой техники. По всему миру только за 2017 год ЦОДы суммарно «сожгли» 416 ТВт — почти половину годового потребления электроэнергии России.

Неудивительно, что владельцы дата-центров всерьёз озаботились экономией энергии. Сокращение чека даже на один-два процента позволяет сохранить миллионы долларов. Для оптимизации энергопотребления привлекают системы искусственного интеллекта. К примеру, инженеры Google на треть сократили расходы на системы кондиционирования, передав бразды правления алгоритмам DeepMind. Но дата-центров сегодня всё больше, увеличивается их мощность — и общее потребление энергии продолжает расти.

В прошлом году дата-центры потребляли 2% всей мировой электроэнергии. Через пару лет это значение вырастет до 5%. Огромная цифра в масштабах планеты!

Прожорливость центров обработки информации наносит ущерб экологии. Одна только видимая часть интернета — всевозможные страницы и веб-сервисы — генерирует до 3 тысяч тонн углекислого газа в сутки, усиливая парниковый эффект. Чтобы переработать CO? и вернуть в атмосферу кислород, понадобится «работа» 25 000 деревьев в течение года. Страдает и почва, загрязнённая отходами котельных, и водоёмы — от сброса тёплой воды. Повышение температуры воды снижает уровень растворённого в ней кислорода, приводя к гибели обитателей рек и озёр.

Но не всё так плохо. Именно в дата-центрах внедряются передовые технологии сохранения окружающей среды. В рамках борьбы за «чистую» энергию техногиганты приводят ЦОДы в соответствие с требованиями LEED. В этой международной рейтинговой системе любые предприятия оценивают по нескольким критериям: контроль за эрозией почвы, эффективность использования водных ресурсов, качество экологии в здании и применение переработанных материалов при строительстве.

ЦОДы могут прекрасно вписываться в окружающую среду. 72% здания германского дата-центра Citigroup покрыто живой травой, что уменьшает теплопоступление в летние месяцы.

Apple суммарно создаёт для своих серверов 626 МВт «чистого» и возобновляемого электричества при помощи солнечных панелей. Не отстаёт и Google: только одно её подразделение в городе Каунсил-Блафс, штат Айова, производит 407 МВт электричества при помощи ветрогенераторов. Входит в ряды «экологических лидеров» и Facebook. Сейчас более 50% энергии, потребляемой компанией, приходится на возобновляемые источники, а к 2020-му планируют увеличить этот показатель до 100%.

Присоединение к экологическим программам даёт не только «плюсики в карму» и улучшение имиджа. В некоторых государствах это приносит ощутимые налоговые льготы. Фондовый рынок тоже благосклонно относится к «зелёным» инициативам. Акции корпораций, перешедших на возобновляемые источники электричества, растут в цене.

Обогреватели планеты

Из десятков и даже сотен потребляемых мегаватт на питание оборудования тратится лишь половина — вторая уходит на его охлаждение. Проблема отведения избыточного тепла решается по-разному. Часто используют промышленные кондиционеры, но встречаются и более экологичные решения.

Охлаждение знаменитого «курятника» Yahoo основано на эффекте конвекции, или, в простонародье, печной трубы. Тепло рассеивается при минимальном участии климатической техники за счёт естественной циркуляции воздуха. В Microsoft применили водяное охлаждение, погрузив дата-центр на морское дно. Практикуется и размещение серверов в регионах с холодным климатом. Это существенно уменьшает нагрузку на электросети, позволяя использовать уличный воздух.

Такие меры экономят электроэнергию, но не снижают выделяемое тепло. Всё просто уходит в окружающую среду, усиливая так называемое тепловое загрязнение. Однако инженеры «Яндекса» нашли выход из ситуации. Горячий воздух, отводимый из дата-центра компании, обогревает посёлок в Финляндии. Подобную практику применяют и другие IT-гиганты: тепло идёт на отопление жилых зданий, оранжерей, бассейнов.

А как обстоят дела в России?

Российские фирмы активно наращивают дата-центры на родине. Собственные дата-центры есть у «Яндекса», «Ростелекома» и других местных корпораций. Крупнейший отечественный ЦОД недавно был представлен концерном «Росэнергоатом» в Твери. Планируемая подведённая мощность комплекса — до 80 МВт. Примечательно, что источником питания стала атомная электростанция, — это значительно повысило надёжность энергоснабжения. По статистике, число серверных стоек в РФ ежегодно увеличивается на несколько тысяч.

У нас в стране своя специфика: значимую роль в развитии интернет-инфраструктуры играют органы власти и законодательство. Эффект получается разный. С одной стороны, есть государственная программа «Цифровая экономика», которая делает нашу жизнь удобнее: госуслуги онлайн без визита к чиновникам, строительство сетей пятого поколения, запись в школу и к врачу через сайт. Для всего этого требуются дата-центры. С другой стороны — «закон Яровой». Он вынуждает провайдеров расширять серверные мощности, но не для улучшения сервиса, а для длительного хранения трафика россиян. Аналитики прогнозируют, что объём хранимых данных будет наращиваться на 15% ежегодно, а расходы лягут на потребителей.

Цифровая экология

Век электронной экономики уже наступил. С развитием цифровых технологий продолжит расти и количество серверов. А значит, на инфраструктуру дата-центров будет приходиться всё большая часть мирового энергопотребления. Так что же, IT-технологии будут всё больше убивать планету? Всё не настолько плохо. Как ни парадоксально, именно интернет-гиганты — образец для подражания по части сохранения экологии (куда там металлургическим предприятиям!).

Уже сейчас дата-центры используют солнечные и ветряные генераторы, а излишки тепла утилизируют на обогрев городов и ботанических садов. Сегодня сервер вместо радиатора отопления кажется фантастикой. Но, быть может, лет через десять мы не будем удивляться, что ключи от подвала новостройки получает системный администратор, а не дворник.