Дата-центр под водой: как компании решают проблему экологичности ЦОДов

Помимо своей основной функции дата-центры могут приносить дополнительную пользу. Например, отапливать целые города. «РБК Тренды» рассказывают, как и почему это происходит.

Что такое дата-центры и зачем они нужны

Все, что связано с интернетом и цифровым обменом информацией — переписки, созвоны, покупки, облачные сервисы, искусственный интеллект, — проходит через серверы. Это мощные компьютеры, которые круглосуточно обрабатывают задачи пользователей и обслуживающих сервисов. Комплекс таких устройств называется «серверное оборудование». Его задача — принимать, обрабатывать, хранить и передавать данные. Чтобы устройства работали без сбоев и в единой цепи, нужно сетевое оборудование.

Для работы такой системы необходимо поддерживать определенные условия: влажность, температуру, освещение, давление и чистоту воздуха. Просто так собрать и поставить все устройства в одном помещении не получится: пыль, влажность, слишком низкая или высокая температура быстро приведут к поломкам.

Чем больше оборудования и выше на него нагрузка, тем чувствительнее комплекс к условиям внешней среды. Поэтому компании, которые работают с большими объемами цифровых мощностей, выносят серверы в отдельное место, с определенным микроклиматом и мерами безопасности. Пространство, в котором размещается серверное и сетевое оборудование, называется «дата-центр», или «центр обработки данных» (ЦОД). Это может быть контейнер, помещение, здание или комплекс сооружений. ЦОД может обслуживать одну конкретную компанию или предоставлять аутсорсинговые услуги нескольким.

В начале 2024 года крупных центров обработки данных, управляемых провайдерами гипермасштабируемых данных, стало больше тысячи. Отличие таких ЦОДов от обычных в том, что они могут одновременно поддерживать миллионы пользователей. В сравнении с ними стандартные дата-центры могут обрабатывать гораздо меньшее количество запросов. По прогнозам исследовательской компании Synergy Research Group, их общая мощность вырастет почти в три раза в течение следующих шести лет.

Сколько дата-центров в мире

Точное число всех ЦОДов в мире назвать сложно: их количество постоянно растет. Согласно данным Data Center Map, на июнь 2024-го было зарегистрировано 7086 коммерческих центров обработки данных из 140 стран мира. В пятерку лидеров входят США (2763), Великобритания (351), Германия (309), Канада (239) и Австралия (231).

Спада в строительстве ЦОДов не ожидается. Цифровые технологии активно развиваются, поэтому актуальность вопроса заботливого использования ресурсов дата-центрами неуклонно растет. Чтобы снизить нагрузку отрасли на климат, страны разрабатывают законы, компании устанавливают собственные стандарты и создают инициативные саморегулируемые объединения.

Как ЦОДы влияют на энергетику

Дата-центры потребляют огромное количество электричества. С развитием генеративного интеллекта системам требуется гораздо больше мощностей: обучение ИИ и обработка пользовательских запросов очень энергозатратны. По мнению исследователей центров обработки данных, если не контролировать потребление энергии дата-центрами, к 2030 году они могут поглотить более 10% мирового энергоснабжения — часть этого объема будет уходить впустую. Увеличение энергопотребления может привести к энергетическому кризису. 

Одна из актуальных для ЦОДов проблем — перерасход энергии. Это негативно влияет на окружающую среду, а владельцы ЦОДов оплачивают огромные счета. Чтобы решить проблему энергоэффективности, в 2007 году операторы ЦОДов, поставщики облачных услуг, технологий и оборудования, архитекторы объектов и конечные пользователи объединились в общемировой консорциум The Green Grid (TGG). Участники TGG разработали и утвердили параметр эффективности ЦОДов — PUE (Power Utilization Efficiency). Он показывает, сколько энергии уходит на обеспечение дата-центра, а сколько теряется.

Чтобы его рассчитать, нужно поделить общий объем используемой энергии на количество энергии, которую тратит IT-оборудование. Например, если ЦОД получает из сети 20 МВт энергии, а на оборудование уходит 10 МВт, то PUE = 2. PUE ниже 1,43 считается оптимальным, а уровень выше 2,5 говорит о том, что ресурсы расходуются неэффективно.

Даже если значение PUE дата-центра находится в пределах нормы, но не равно единице, система не использует 100% поступающей энергии. Допустим, PUE равен 1,4 МВт. Это значит, что с каждого 1,4 МВт энергии 0,4 МВт тратятся впустую. Они просто рассеиваются в воздух в виде тепла.

ЦОД и водные ресурсы

Чтобы инфраструктура не перегревалась и оборудование не ломалось, дата-центры используют системы искусственного охлаждения. Исследования показали, что на их обслуживание тратится около 40% энергии, употребляемой ЦОДами.

Чаще всего в системах используется вода. Ее теплоемкость выше, чем у воздуха, поэтому жидкостное охлаждение популярнее других решений. При этом расходы воды довольно масштабные. Нерациональное использование ресурса несет негативные последствия для регионов. Например, может вызвать засуху или экологическую катастрофу.

Сколько воды понадобится конкретному дата-центру, зависит от его месторасположения. Чем жарче климат, тем больше ресурсов понадобится для охлаждения. То есть условный ЦОД в Африке или другом жарком и засушливом регионе потратит воды больше, чем аналогичный ЦОД в Норвегии. Объем зависит и от количества установленных стоек. Чем их больше, тем больше ресурсов требуется на обслуживание.

Централизованной статистики расхода воды дата-центрами нет. В среднем на 1 МВт/ч приходится 7,1 куб. м воды (1 куб вмещает 1000 л жидкости). По независимому анализу группы исследователей, на обучение GPT-3, на котором частично основан ChatGPT, ушло 1287 МВт/ч энергии — это 9137,7 куб. м воды. Учитывая, что в России средний ежемесячный расход ресурса на человека около 12 кубометров, этого объема хватит на месяц обслуживания поселка с населением 760 жителей.

ЦОД и углеродный след

Вычислительные мощности ЦОДов требуют энергетических затрат, поэтому каждый дата-центр косвенно провоцирует выбросы парникового газа в атмосферу. По данным Международного энергетического агентства (МЭА), на долю ЦОДов и сетей передачи данных приходится 1,4% мировых выбросов CO2. Для сравнения: на долю авиации приходится около 2,5%.

Переизбыток углекислого газа в атмосфере создает парниковый эффект. Тепловая энергия от Солнца к Земле поступает, а обратно не уходит. В результате температура поверхности планеты становится выше, тают льды, повышается уровень Мирового океана и меняется климат. Это ведет к изменениям флоры и фауны, учащаются природные катаклизмы: наводнения, ураганы, засухи. 

Чтобы достичь углеродной нейтральности и свести к минимуму выбросы СО2 в атмосферу, 196 стран подписали Парижское соглашение. Это международный договор, который юридически обязывает страны сдерживать климатические изменения за счет снижения выброса углекислого газа в атмосферу.

Как решить проблему экологичности ЦОДов

Есть несколько вариантов сделать дата-центры экологичнее. Их общая суть — изменить подход к методам охлаждения и повысить устойчивость оборудования.

Например, можно размещать ЦОДы в местах с холодным и ветреным климатом. Но если в жарких и засушливых районах не будет дата-центров, пропускная способность телекоммуникационных каналов в них будет оставаться низкой. Это не способствует экономическому и социальному росту — бедные регионы не смогут развиваться и улучшать качество жизни.

Еще один вариант — проектировать серверную инфраструктуру так, чтобы она бесперебойно работала при повышенных температурах. На охлаждение понадобится меньше воды и электричества, а значит, снизится нагрузка на окружающую среду. Тут стоит учесть, что не все дата-центры готовы на глобальную замену оборудования: модернизация потребует крупных финансовых затрат.

Экономить электроэнергию можно напрямую: отключить незадействованные серверы или убрать лишнее оборудование. Однако недоступность сервера может привести к потере клиентов и убыткам: если пользователи ощутят перебои, они откажутся от услуг оператора.

Можно проектировать инфраструктуры с дезагрегированной архитектурой. Это система, состоящая из отдельных модулей со стойками. При необходимости оператор может заменить оборудование, при этом его работа с данными не прекратится — нагрузка распределится между ресурсами других серверов в центре обработки данных. Такая система требует меньше оборудования и охлаждения. При этом мощности увеличиваются, а количество электронных отходов уменьшается.

Что делают компании сейчас

С развитием и масштабированием технологий появляются новые методы сохранения ресурсов и заботы об экологии. Компании ищут способы сохранить незадействованную энергию, чтобы трансформировать и перенаправлять ее на обслуживание ЦОДов или других внешних объектов.

Некоторые дата-центры используют возобновляемые источники энергии. Например, крупнейший европейский ЦОД Vantage Data Centers — один из самых эффективных центров обработки данных в Великобритании. С 2010 года кампус на 100% работает от возобновляемых источников энергии.

ЦОД Vantage Data Centers

Концепцию подводного дата-центра (UDC) разработала и запатентовала компания Microsoft. UDC экономичны при строительстве и обслуживании, а также повышают надежность IT-оборудования.

Подводный дата-центр Microsoft

В рамках исследовательского проекта Project Natick тестовая UDC была развернута в 2018 году у побережья Шотландии. Комплекс погрузили в морскую воду на глубину 35 м и заполнили инертным газообразным азотом — он лучше кислорода сохраняет оборудование. По итогам эксперимента только шесть из 855 серверов вышли из строя по сравнению с восемью из 135 на суше. Сама компания пока не планирует строительство подобных объектов — это был исследовательский проект, сообщила руководитель облачного подразделения Microsoft Cloud Operations + Innovation (CO+I) Ноэль Уолш. 

Эксперимент не нанес вреда флоре и фауне. Вода, сброшенная в море, была лишь на долю градуса теплее окружающей — уже через несколько метров разница температур исчезала. Оболочка UDC заменила морским обитателям искусственный риф — там они могли искать пищу, прятаться от хищников и размножаться.

В марте 2023-го издание China Daily сообщило, что аналогичным путем пошла китайская компания HiCloud Technology. Недалеко от острова Хайнань, Китай, компания погрузила UDC массой 1433 т на глубину 35 м. UDC использует окружающую воду в качестве естественного источника охлаждения для своего оборудования. Это может сэкономить более 30% затрат на электроэнергию по сравнению с традиционными ЦОДами.

Дата-центр HiCloud Technology

Вода, которая будет охлаждать оборудование в центре обработки данных Microsoft в Дании, будет повторно использоваться для отопления домов жителей Хейе-Тааструпе. Эта инициатива — часть обязательства компании по сокращению выбросов углерода к 2030 году.

Температура воды после охлаждения дата-центра — около 30 градусов, и до нужного уровня ее будут нагревать тепловые насосы. Первые поставки тепла пройдут зимой 2025/26. Ожидается, что дата-центр будет отапливать около 6 тыс. местных домов. Также компания заявила о планах на аналогичные проекты в датских городах Роскилл и Кеге.

Крупные операторы ЦОДов уже сейчас идут по углеродно-нейтральному пути, инвестируя средства в разработку инфраструктуры с возобновляемыми источниками энергии и компенсируя углеродный след. Компании с небольшими бюджетами пока не могут полностью перейти на принципы устойчивого развития. Однако разработчики уже ищут возможности удешевить такой переход, комбинируя условия окружающей среды с технологиями.