Τα ηλεκτρονικά και μηχανικά μέρη που συνθέτουν την υποδομή ενός data center ακολουθούν πιστά το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, γεγονός που έχει αρχίσει να ανησυχεί ποικιλοτρόπως επιχειρήσεις και κράτη.

Βιώνουμε μια από τις φάσεις κλιματικής αλλαγής του πλανήτη; Εστιάζοντας σε έναν από τους παράγοντες του κλίματος και συγκεκριμένα στη θερμοκρασία, οι μετρήσεις που λαμβάνουμε, μας λένε ότι εδώ και κάποιες δεκαετίες, ο μέσος όρος της παγκόσμιας θερμοκρασίας αυξάνεται. Ωστόσο είναι 40 ή 100 χρόνια αρκετά για να χαρακτηρίσουν τη φάση αυτή ως πλανητική αλλαγή ή μήπως μιλάμε απλά για μια ίωση που θα υποχωρήσει σε 3 μέρες γεωλογικού χρόνου; Κανείς δεν μπορεί να το γνωρίζει αυτό. Όπως επίσης κανείς δεν μπορεί να πει με βεβαιότητα ότι το φαινόμενο οφείλεται στις ανθρώπινες δράσεις.

Επομένως, όταν επιστήμονες όπως η Μαρία Αυγερινού που μαζί με τους Paolo Bertoldi και Luca Castellazzi, υπογράφουν μια έρευνα που συνδέει τη λειτουργία των data centers με την κλιματική αλλαγή, αναγκάζονται να λάβουν ως δεδομένο ότι οι ανθρώπινες δράσεις έχουν σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωσή της. Σύμφωνα λοιπόν με την έρευνα “Trends in Data Centre Energy Consumption under the European Code of Conduct for Data Centre Energy Efficiency”, σχεδόν το 2% της παγκόσμιας παραγωγής CO2 προέρχεται από υποδομές ICT και κυρίως από τα data centers. Το θέμα αυτό αναζωπυρώθηκε πρόσφατα μέσα από μια ευρέως δημοσιευμένη αρθρογραφία σχετικά με την ενέργεια που σπαταλούν servers για να κάνουν bitcoin mining.

Δεδομένου ότι οι περισσότερες επιχειρήσεις δεν έδειξαν εξ αρχής να ενδιαφέρονται για την επίδραση των δραστηριοτήτων τους στο κλίμα, τα κράτη αποφάσισαν να θεσπίσουν πλαίσια, τα οποία είτε με κυρώσεις (πρόστιμα ρύπων), είτε μέσω ενός ανταγωνισμού ήθους (εταιρική κοινωνική ευθύνη) ωθούν τις επιχειρήσεις στη μείωση του ενεργειακού τους ίχνους και κατ’ επέκταση στον περιορισμό του CO2 που εκπέμπουν. Ωστόσο, υπάρχει και ένας τρίτος παράγοντας, ο οποίος θεωρούμε ότι ασκεί πολύ μεγαλύτερη πίεση στις επιχειρήσεις και είναι η επιβάρυνση των λειτουργικών τους εξόδων με το κόστος αγοράς ενέργειας. Τα data centers αποδεικνύονται ιδιαίτερα ενεργοβόρα, δαπανώντας για τη λειτουργία τους 538 – 2153 W/m2, ενώ κάποιες φορές φτάνουν μέχρι και τα 10 KW/m2. Συγκριτικά να αναφέρουμε ότι σε μια οικία 70 m2, η δαπάνη ενέργειας είναι περίπου 0,09 KW/m2 αν λειτουργούν όλες οι ηλεκτρικές συσκευές για όλη τη διάρκεια της μέρας.

Η κλιματική αλλαγή δεν ευνοεί τα ελληνικά data centers
Δυστυχώς, ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής εγγυάται ότι καμία μηχανή δεν μπορεί να μετατρέψει σε έργο το 100% της ενέργειας που χρησιμοποιεί. Ο κινητήρας του αυτοκινήτου για παράδειγμα, ο οποίος επίσης έχει κατηγορηθεί για τη συμμετοχή του στην κλιματική αλλαγή, πετυχαίνει αποδόσεις ενέργειας που κατά μέσο όρο είναι κάτω από το 30%. Όσον αφορά τα data centers, το 40% της ενέργειας που χρειάζονται καταναλώνεται για τη ψύξη τους. Η απόδοση είναι πολύ καλύτερη από αυτήν ενός αυτοκινήτου, αλλά παραμένει χαμηλή. Πολλές εταιρείες επιλέγουν για την εγκατάσταση των data centers τους περιοχές με χαμηλές θερμοκρασίες περιβάλλοντος, αξιοποιώντας τον ατμοσφαιρικό αέρα για την ψύξη. Στην Ελλάδα, το ΕΔΕΤ ξεκίνησε σχετικά πρόσφατα τη λειτουργία ενός data center στην περιοχή της Φιλιππιάδας, προκειμένου να αξιοποιήσει τον ποταμό Λούρο για τη ψύξη της εγκατάστασης.

Σε όλες τις χώρες, η ζήτηση ενέργειας από εγκαταστάσεις data centers αυξάνεται με ρυθμούς μεγαλύτερους από τους προβλεπόμενους. Στην Ευρώπη για παράδειγμα, τα data centers κατανάλωσαν 18,3 TWh ενέργειας το 2000 και το 2020 αναμένεται να καταναλώνουν 104 TWh.

Η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει θεσπίσει πλαίσια, όπως η European Energy Performance of Building Directive και η συνεργασία με τις ΗΠΑ στο Energy Star πρόγραμμα. Επιπλέον από το 2008 λειτουργεί και το εθελοντικό πρόγραμμα European Code of Conduct for Data Centre Energy Efficiency, το οποίο εστιάζει περισσότερο στο πρόβλημα της διαχείρισης ενέργειας των data centers. Στόχος του προγράμματος είναι να φέρει κοντά τους συμμέτοχους για να συζητήσουν λύσεις που θα βελτιώσουν τις ενεργειακές απώλειες και επιπλέον μέσω του προγράμματος θεσπίστηκε ένα βραβείο, για τις εταιρείες που αξιοποίησαν καινοτόμες λύσεις για να μειώσουν την ενεργειακή κατανάλωση των data centers τους. Για να συμμετέχει στο πρόγραμμα μια εταιρεία θα πρέπει κυρίως να αποδεχτεί ότι τα δεδομένα που αφορούν την ενεργειακή της κατανάλωση θα είναι διαθέσιμα για έλεγχο και επιπλέον να δημιουργήσει την κατάλληλη υλικοτεχνική υποδομή, ώστε ο έλεγχος να γίνεται με ευκολία. Προκειμένου να δημιουργηθεί ένα σύστημα αναφοράς για τη συγκριτική αξιολόγηση των αποτελεσμάτων, η ΕΕ επέλεξε τη μονάδα PUE (Power Usage Effectiveness), η οποία δημιουργήθηκε από το The Green Grid το 2007.

Το μέγεθος της μονάδας προκύπτει από το πηλίκο της συνολικής ισχύος που καταναλώνει η εγκατάσταση με τη συνολική ισχύ που καταναλώνει ο εξοπλισμός IT. Όσο μεγαλύτερο το μέγεθος, τόσο χειρότερη η αποτελεσματικότητα του data center. Αν και οι συμμετέχοντες στο πρόγραμμα δεν είναι αρκετοί ώστε να είμαστε σίγουροι πως το δείγμα είναι αξιόπιστο, ο μέσος όρος PUE ήταν στο 2,1 το 2007, έπεσε στο 1,89 το 2011 και έφτασε στο 1,65 το 2013. Ένα ενδιαφέρον στοιχείο που προέκυψε από τη συγκεκριμένη έρευνα είναι η κατανομή των δειγμάτων σε διαφορετικούς επιχειρηματικούς τομείς.

Σχεδόν το 40% των δειγμάτων προέρχεται από επιχειρήσεις που διαχειρίζονται τα data centers τους σε δικές τους κτιριακές εγκαταστάσεις, ενώ ο τομέας του hosting έρχεται δεύτερος με μερίδιο 28% και τα hybrid data centers είναι στην τρίτη θέση με 20%.

Οι τεχνολογίες δωρεάν ψύξης, όπως είναι αναμενόμενο υπερτερούν, αξιοποιούνται όμως σε γεωγραφικές περιοχές που δεν ανήκει η Ελλάδα. Οπότε από αυτήν την οπτική το κλίμα μας είναι εξαιρετικό για τουρισμό, δεν ευνοεί όμως την οικονομική λειτουργία των data centers. Αυτός είναι και ένας από τους λόγους που οι ελληνικές επιχειρήσεις θα πρέπει να δώσουν ιδιαίτερο βάρος στη δημιουργία βιοκλιματικών κτιρίων. Εναλλακτικά, η ενέργεια του Ήλιου και του ανέμου, θα μπορούσαν να έχουν ένα καθοριστικό ρόλο στην ιδιοπαραγωγή ενέργειας, αλλά σε αυτήν την περίπτωση, τα data centers θα έπρεπε να βρίσκονται μακριά από το αστικό περιβάλλον. Εταιρείες, όπως οι Google, Amazon και Apple έχουν επενδύσει τεράστια ποσά στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τον Ήλιο και τον άνεμο και ήδη καλύπτουν παραπάνω από το 40% μέσω αυτών των πηγών.


Πιο αποτελεσματικοί servers
Στις αρχές του 2016, άρχισαν να πυκνώνουν τα δημοσιεύματα σχετικά με την αξιοποίηση στην αγορά των servers της τεχνολογίας επεξεργαστών ARM, η οποία έχει κατακτήσει την αγορά των φορητών συσκευών. Η ιδέα αυτή έχει ζωή περίπου μιας δεκαετία, αλλά βρήκε πιο πρόσφορο έδαφος όταν ξεκίνησε η εμφάνιση του cloud computing και των hyper scale data centers. Στη σχετικά νέα αυτή κατάσταση, η Qualcomm εμφανίζεται ως ο πιο επιθετικός παίκτης, έχοντας υποσχεθεί ότι θα διαθέσει στην αγορά ένα ARM επεξεργαστή που θα είναι ανταγωνιστικός απέναντι στον Xeon της Intel, ο οποίος σήμερα έχει ηγετική θέση στην αγορά των data centers με ποσοστό που πλησιάζει το 97%.

Η Intel δεν έχει μείνει άπραγη απέναντι σε αυτήν την πρόκληση και προσπαθεί συνεχώς να βελτιώνει την αποτελεσματικότητα των Xeon επεξεργαστών, ενώ παράλληλα προτάσεις ετοιμάζουν η IBM με το Open Power και η AMD με τη σειρά επεξεργαστών Xeon.

Η τεχνολογία ARM έχει πετύχει κάποιες νίκες, όπως για παράδειγμα η ανακοίνωση της Fujitsu που αφορά στην αντικατάσταση των επεξεργαστών SPARC από τους 64-bit ARM v8-A SoCs στην επόμενη γενιά της σειράς υπερυπολογιστών K. Βασικός στόχος είναι η βελτίωση της απόδοσης ανά Watt σε ένα σύστημα που θα δίνει ταχύτητες στην κλίμακα exascale, δηλαδή 100 φορές μεγαλύτερες από το τρέχον K σύστημα της ίδιας εταιρείας.

Αρκετά χρήματα προς αυτήν την κατεύθυνση έχει επενδύσει και η ΕΕ μέσω ερευνητικών έργων, στα οποία συμμετέχουν και ελληνικά ερευνητικά κέντρα, όπως το ITE στην Κρήτη, το οποίο συμμετέχει στο πρόγραμμα EUROSERVER

Μια αναλυτική έρευνα που έγινε από τους Jayanth Kalyanasundaram and Yogesh Simmhan στο Department of Computational and Data Sciences στο Indian Institute of Science και δημοσιεύτηκε το Σεπτέμβριο του 2017 (https://arxiv.org/pdf/1701.05996.pdf) φέρνει σε άμεση σύγκριση επεξεργαστές ARM και x86 αναθέτοντας τους ένα κοινό έργο επεξεργασίας Big Data. Τα αποτελέσματα είναι αισιόδοξα για τους επεξεργαστές ARM, οι οποίοι εμφανίζονται να καταναλώνουν τρεις φορές λιγότερη ενέργεια και να είναι από 50 έως 71% πιο αποτελεσματικοί σε σχέση με τους x86 επεξεργαστές.

SSD, ένα κρίσιμο δίλημμα στο storage
Με μηδενικά σχεδόν κινητά μέρη, οι δίσκοι SSD προσφέρονται για εγκαταστάσεις που στοχεύουν στην εξοικονόμηση ενέργειας, συνδυάζοντας παράλληλα πολύ καλύτερες επιδόσεις σε σχέση με τους HDD. Ωστόσο, ένα πολύ μικρό ποσοστό από storage units είναι προσωρινά βασισμένο σε SSD. Μέχρι πριν από πέντε χρόνια θα μπορούσαμε να πούμε ότι βασικός λόγος για αυτήν την κατάσταση ήταν το χάσμα κόστους ανά MB προς όφελος των HDD. Σήμερα όμως δεν μπορούμε να μιλάμε πλέον για χάσμα, οπότε κάπου αλλού θα πρέπει να αναζητήσουμε το εμπόδιο.

Ένα πρόβλημα που φαίνεται επίσης να επιλύεται είναι η χωρητικότητα των SSD ανά μονάδα. Εταιρείες, όπως η Samsung και η Toshiba, έχουν παρουσιάσει μνήμες μεγάλης πυκνότητας, τις οποίες αξιοποιούν οι ίδιες ή άλλοι κατασκευαστές, δίνοντας μονάδες SSD με χωρητικότητα δεκάδων TB. Η Samsung διαθέτει ήδη προϊόν με χωρητικότητα 16 TB και η Seagate έχει ανακοινώσει ότι θα ανεβάσει τον πήχη στα 60 TB.

Επομένως, ποιοι παράγοντες συνεχίζουν να λειτουργούν ως εμπόδιο. Ένας παράγοντας παραμένει το κόστος. Για ένα PC η διαφορά των μερικών δεκάδων ευρώ ανάμεσα σε δύο δίσκους SSD και HDD ίδιας χωρητικότητας, ίσως δεν είναι σημαντική, αλλά όταν μιλάμε για εγκαταστάσεις storage κάποιων εκατοντάδων TB ή και Petabyte, τα οποία μάλιστα αυξάνονται με γοργούς ρυθμούς, ακόμα και μερικές δεκάδες cents διαφορά ανά MB μπορούν να δημιουργήσουν σημαντικό επιπλέον κόστος.

Το δεύτερο και ίσως πιο ουσιαστικό πρόβλημα είναι η αξιοπιστία των δίσκων SSD σε έντονη χρήση. Οι σύγχρονες μονάδες έχουν βελτιώσει την αξιοπιστία τους εντυπωσιακά σε σχέση με τους προγόνους τους, ακόμα όμως δεν υπάρχει η στατιστική εικόνα της τεχνολογίας HDD, η οποία έχει μερικές δεκάδες χρόνια ζωής. Οι έρευνες, ειδικά σε συγκεκριμένες κατηγορίες εφαρμογών, όπου το read/write είναι συχνό, δεν είναι ακόμα καθησυχαστικές. Αυτός είναι και ο λόγος που οι επιχειρήσεις προτιμούν ακόμα υβριδικές λύσεις storage, στις οποίες ένα μεγάλο ποσοστό συνεχίζει να ανήκει στην τεχνολογία HDD.

Άσκηση για δυνατούς λύτες
Στο δείκτη European Code of Conduct for Data Centre Energy Efficiency συμμετέχουν ελάχιστα ελληνικά data centers και επομένως δεν μπορούμε να έχουμε μια αξιόπιστη εικόνα για τα περιθώρια βελτίωσης. Οι μεγάλες επιχειρήσεις, μετρημένες ίσως σε μερικές δεκάδες, αναζητούν λύσεις για τη μείωση της ενεργειακής δαπάνης, θεωρούμε όχι τόσο για περιβαλλοντικούς λόγους, όσο για τη μείωση του λειτουργικού κόστους σε μια περίοδο που οι προϋπολογισμοί είναι πιεσμένοι.

Από την άλλη, η πίεση των προϋπολογισμών δεν επιτρέπει με ευκολία ριζοσπαστικές λύσεις επενδύσεων. Ως εκ τούτου, οι καινοτομίες που υπόσχονται εξοικονόμηση ενέργειας αποκτούν σημαντική αξία. Επιπλέον αναμένεται να δούμε αν οι εναλλακτικοί πάροχοι που έκαναν πρόσφατα την επανεμφάνισή τους, είναι σε θέση να προσφέρουν οικονομικότερες λύσεις.