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互联网到底浪费了多少能源?
2012-10-06 09:58:38   编辑:雪花   点击可以复制本篇文章的标题和链接
 
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Facebook的首席工程师Jeff Rothschild遇到了一件棘手的事——他们的服务器快要融化了。Facebook租用了一个40×60英尺的房间存放服务器,用以存储和处理用户的账户信息。而现在的问题是,这些家伙在吃进大量电力的同时不断吐出热气,房间内的温度已经超出了服务器组件的承受范围。高温的问题再不解决,服务器就将因为温度过高而瘫痪。思量之后,Rothschild让员工抓紧去周围的超市买风扇。“我们把周围超市的所有的风扇都买了下来”,他选择用这种质朴的方式给服务器降温。

这是发生在2006年的故事,当时的Facebook还只有1000万用户。而现在,Facebook的服务器需要处理将近10亿用户的各种各样的信息要求,曾经40×60英尺的房间也变成了占地面积达数十万平方英尺的数据中心。风扇肯定是无用武之地了,为了保证这一排排的服务器能够正常运行,Facebook给所有的数据中心配置了工业制冷系统。

在这个网络时代,Facebook那占地数十万英尺的数据中心只不过是全球遍布的数据中心中的沧海一粟。没人说得清楚网络上有多少信息,服务器每天要处理多少数据。有人从iTunes内下载视频和音频资料,有人登录网上银行查看自己的收支情况,有人使用邮箱发送带有超大附件的电子邮件,有人在亚马逊等购物网站上买东西,有人在Twitter上发微博,有人通过网络在线阅读报纸杂志。每次点击都是信息,每条信息都是数据。

《纽约时报》经过一年的调研后发现,向来被公众认为是绿色环保的信息产业其实是一个污染和耗能大户。调查显示,作为信息产业根基与支柱的数据中心,从设计伊始就不知节能为何物。而数据中心的使用者往往不论自己需求几何,都将其以满负荷运转。调查结果中的数字令人惊讶,数据中心浪费的电力可以占到总能耗的90%以上。正因如此,互联网的数据中心已经成为美国各州政府污染大户名单上的常客。

《纽约时报》雇请的业内专家估计,全球范围内所有数据中心的总功率高达3000万千瓦,几乎相等于30座核电站的产电量。国际调查机构麦肯锡公司对药厂、军事合约商、银行、媒体和政府机构等70个大型数据中心、约2万个服务器进行了调查,发现实际用于计算机运算的用电量只占6%至12%,剩余的大量电力主要用以确保服务器处于闲置状态,以应对突如其来的网络流量高峰。

“这些数据会让多数人大吃一惊,即使是业内人员。”Peter Gross曾参与设计了数百个数据中心,“一个数据中心的能耗可能会比一个中型城市还多。”一个不愿对外公布自己单位信息的IT业资深总裁表示:“数据中心的夸张能耗是这个行业的灰色地带,谁也不愿出来捅破这层窗户纸。如果这是在制造业,搞这么大的能源浪费就直接等着关门大吉吧。”

实际上,这种低效率的能耗是由互联网上用户与服务商的关系决定的。用户在点击网页的时候都希望能够迅速出现自己希望看到的内容,谁都不愿等待。而服务商就必须时刻准备着满足用户的这种需要,不然就没人点击自己的网站了。

为了保证自己的服务器每时每刻都能够运行无碍,在将电力火力全开之余,为了保险起见,多数大型的数据中心都配有大型发电机,或是数以千计的备用的铅酸电池。这些电池跟电动汽车的电源差不多,当电网断电的时候它们将充当备用电源的角色。虽然断电的概率很小,但哪怕是百分之一秒的供电故障都将引起服务器崩溃。 美国电力研究所(Electric Power Research Institute)的高级研究员丹尼·P·希曼斯基(Dennis P. Symanski,)认为这是一种浪费,“他们布置了过多的安保措施。”也许数据中心的做法有自己的考虑,但这些行为与环保是格格不入的。弗吉尼亚州和伊利诺斯州的很多数据中心甚至已经违反了相关的空气质量管理法规。亚马逊在三年内就违反了超过24项环保法规,其中包括未经环保部门批准擅自运行发电机。

现在有几家公司已经开始通过升级管理数据中心的软件和制冷系统来减少能源浪费,这其中包括谷歌和Facebook。他们还重新设计了数据中心的硬件设施以减少污染。尽管如此,最新的数据显示,谷歌数据中心的电功率为3亿瓦,而Facebook稍微少点,是6000万瓦。虽然有许多办法能够帮助数据中心降低能耗,但出于对风险的恐惧,多数公司都不愿作出任何改变。由于很多公司服务器处理的信息都涉及到用户的个人隐私,所以大多数公司需要采取保密措施,这也给产业评估和升级来带了困难。

此外,为了保密起见,很多的公司都不愿意公布自己的数据中心具体位置,这些数据中心大多建在一些不为人所知的建筑物内,而且警戒级别很高。业内资深高管Micheal Manos透露,出于商业竞争考虑,几乎没有公司愿意公开自己的数据中心与核心技术,“这些重要信息只有小部分‘圈内人’才会知道”。 而这些数据中心的能源消耗也在公司的保密范围之内。让产业评估更困难的是,现在没有一家政府级机构有权利单独监测互联网产业。去年政府完成的能源消耗调查显示,美国政府也不知道自己的数据中心每年的要消耗多少能源。不过该调查却披露了一个现实,联邦政府的数据中心从1998年的432个已经增长到了2010年的2094个。

为了更好的调查互联网产业能耗现状,《时代杂志》从地方政府、州府和联邦政府那里获得了数千页的资料,其中的许多根据信息自由法律都是公开的。《时代杂志》还从环保部门那里复印了互联网公司每年的排放量标准文件,这些都能帮助找出数据中心的地理位置和公司的操作细节。除此之外,《时代杂志》访问了全美的数据中心,采访了数百名数据中心的现任、前任雇员以及承包商,询问他们对此的看法。

一些行业分析师给出预测,随着数据规模和能源消耗的不断增长,互联网行业必须对数据中心的能源利用方式作出调整,抱守旧念的公司迟早会在行业洗牌中淘汰,就好比二十世纪九十年代互联网泡沫破裂时败下阵去的那些公司。

Mark Bramfitt之前在互联网公司担任高管,现在是能源及信息科技产业的顾问,他也认为互联网产业最大的问题是“没有可持续的发展模式”,所以“未来必将碰壁”。

数据的海洋

穿着巴塞罗那T恤和短裤的Andre Tran在雅虎位于Santa Clara的数据中心来回踱着步子,他是该数据中心的运行经理。圣克拉拉数据中心的服务器负责雅虎体育、邮件和照片分享的数据信息处理,而这个服务器数据中心只不过是我们信息大潮中来来去去的一朵小浪花。

在这里,成排的服务器静静地站在那里,闪着蓝色、绿色与琥珀色的荧光。高速旋转的硬盘内存储着海量的用户信息。如果不是电缆上面的闪光的雅虎商标,我们无法知道这是雅虎的数据中心。安德烈指着有其中的一个服务器说:“这里面储存着的应该是用户邮件,人们总是喜欢保留自己的邮件和邮件上面的附件,所以这就要求很大的存储空间。”

举一个很简单的例子,在NBA联盟的每一位球员的数据都会被存入服务器,包括该球员的平均得分、出手次数、篮板、联盟排名等等,而且这些数据需要保存很长时间。类似于这样的数据实在是太多了,数据不断积累之后规模就会变得十分的庞大。

随着科学技术的进步,服务器的芯片处理速度每年都在变快,而且存储空间和存储密度也是越来越大,成本不断的下降。但是数据的膨胀速度不比其中任何一项增长的速度慢,处理器的用电量也是不断地增加。

数据存储专家的杰里米·波顿(Jeremy Burton)说,当十年之前他在一家计算机技术公司工作时,他过手的数据密集型客户数据规模最大就在是50000千兆字节上下。(数据以字节为单位进行存储的,一个英文字母为一字节,一千兆字节就是十亿字节的信息。)如今波顿在数据管理与存储服务商EMC公司工作,他坦言,单单制作一部3D电影就需要数据中心处理和储存大约100万千兆字节的数据。他补充说,单就纽约证券交易所这一个客户,每天就会产生多达2000千兆字节的信息,而这大量的日常信息都要被保存若干年。

根据EMC和国际数据集团的联合评估,去年全球的总共产生的数据信息多达1.8万亿千兆字节。而EMC估计,在海量的数据信息中有四分之三都是由普通用户产生的。“这是一场竞赛,我们存储数据的速度在和人们创造数据的速度竞赛。”波顿认为服务器的储存性能是被社会刚性需求不断拔高的。

由于普通民众不知道网络上看似虚拟的信息事实上会消耗大量有形的能源和空间,所以多数人也没有节省资源的意识。人们往往喜欢发送超大的视频文件,或是附有超大附件的电子邮件。可是我们应当知道,即便是最寻常的应用程序(比如在纽约曼哈顿查找一个意大利餐馆或者在达拉斯找一辆出租车)都要求服务器保持24小时开机待命,这样服务器才能即时处理这些信息。

数据传输的复杂性往往不为常人重视。即使你只是给隔壁邻居发送一封带有图片的电子邮件,这封邮件在到达邻居邮箱之前必须在互联网世界穿梭上千英里,经历万水千山,而且需要经过多个数据中心的处理。

Uptime Institute的副总裁Bruce Taylor认为,现代人已经把使用互联网当做理所当然的权利。“如果你告诉一个人他今后将无法登陆Youtube,或是不再能够从Netflix上下载文件了,他们会告诉你这是上帝赐予自己的权利不容剥夺。”而国际数据集团公布的信息显示,为了满足互联网用户的各种需求,全球范围内已经建立了超过300万个规模不一的数据中心。

庞大的数据中心团体消耗的电力是令人吃惊的。斯坦福大学的研究人员Jonathan G. Koomey研究数据中心能源消耗问题已经超过10年的世间。他透露,2010年全美数据中心的用电量高达760亿千瓦时,约占2010年美国整个国家用电量的2%。而总部位于英国伦敦的DatacenterDynamics也给出了相似的研究结果。 一直以来,很多人都认为网络自动化办公和电子书的出现都为全球节省了大量的能源和资源。大家认为“绿色节能”的计算机产业终有一日会宣告纸质印刷业的落幕。但是根据美国统计局公布的数据,2010年美国的造纸业全年消耗电力仅为670亿千瓦时。

直观上看数据中心比高耗能、高污染的造纸业还耗电,不过我们也不能直接将两个行业进行对比。数据中心的运行连带着数以千万计的台式机、笔记本和手机等其他互联网设备,而造纸业要牵扯进废水净化与货运交通等环节,这些外部环节滋生的能耗无以评断。

计算机产业的发展没有调头向下的可能性。位于达拉斯的Compass Datacenters数据中心首席执行官Chris Crosby认为,互联网设施的建设在短期之内不会停歇。“虽然有很多的新技术和升级,但是所有这些数据中心再升级也不能摆脱对电力资源的依赖。”

过高的闲时能耗

Viridity Software是一家初创公司,专门为其他公司提供能源管理服务。当Viridity Software的工程师们发现客户在亚特兰大附近的数据中心一团乱麻时,他们一点也不奇怪,因为这早已是司空见惯的事。进行了基本的诊断测试之后,首席技术员Micheal Rowan发现,这里的服务器存在的问题与其他客户的服务器基本一致:能源利用率极为低下。

在罗文来之前,数据中心内的高管Martin Stephens就感到事情有些不对,他怀疑是不是服务器出了什么故障才导致这么高的能耗。许多服务器即使在不工作的时候,能耗也和满负荷时差不多高。私下的检测之后,他给自己认为能耗过高的服务器贴上了红色的标签。“结果红色标签贴得到处都是,就像出疹似的。这太令人吃惊了”。斯蒂文在研讨会上把自己的发现告诉罗文。

Viridity 的检测验证了斯蒂文的担忧。在对333个服务器监测中,有四分之三的服务器在闲时的能耗只比忙碌时的能耗少不到10%。而斯蒂文供职的企业并不是什么名不见经传的应用开发商,而是信息行业巨头LexisNexis,他们的境遇代表着整个业界的普遍情况。

服务器的能源浪费每时每地都在不断上演。在多数企业内,服务器被安装了自动运行程序之后就“放任自由”,即便不再有用户信息需要处理,或者程序升级后数据已经完全被转移到其他的数据中心处理,这些服务器还在不停运转。“这是因为我们处在信息爆炸增长的时代。在这种背景之下,没有人,没有任何人愿意站出来说要拔下暂时闲置服务器的电源。”Uptime Institute的泰勒如此解释道。

在1993年创立Uptime Institute Kenneth Brill认为,能源利用率过低可以说是互联网行业的“原罪”。布瑞尔解释道,在上世纪90年代,人们认为软件运行系统如果运行多个程序的话会导致服务器崩溃,人们甚至认为服务器开机关机就会出现崩溃的可能性。在这种认识下,计算机技术人员很少让一个服务器运行多个任务,同时技术人员不管任务完成与否、市场需求如何都始终保持服务器24小时运行。虽然政府的能源监管机构一再提示消费者在计算机闲置的时候应该关机,但是数据中心却有着一套自己的原则。对于数据中心负责人而言,服务器如果出现崩溃或是延迟,自己很可能就得卷铺盖走人。他们眼中的首要原则是:不惜一切代价保证服务器正常运转。

Viridity的前高管Michael Tresh坦言,本应充满机智和胆识的互联网行业如今被对失败的恐惧所主宰。“数据中心的管理者每日都生活在对此的恐惧之下,”崔什评述道,“所以本是充满机智和胆识的互联网产业竟然被‘害怕出事故’的阴影笼罩。事业没有备份,一旦出了事故,数据中心的管理者可没法给自己回档。”

咨询公司麦肯锡专门为《时代杂志》分析数据中心服务器的能源使用率。他们监测这方面的数据至少已经4年的时间,但是他们最早公布这些数据的时候并没有引起外界的注意。与四年前相比,时至今日服务器的能源使用效率也没有提高多少,只有6%到12%的公司的数据中心能源利用率稍有提升。由于签订了保密协议,所以麦肯锡没有公布具体他们都监测了哪些公司的数据中心能源利用率。

技术研究公司Gartner的副总裁兼首席研究专家David Cappuccio透露,大部分数据中心的利用效率仅为7%到12%之间。“常年以来我们都过度地在数据中心上投入资源”,卡布奇诺说,“不怕一万就怕万一的忧患意识造成了极其高昂的成本,也浪费了极其巨量的能源。”

实际上除了服务器之外,数据中心的工业制冷系统、备用电池的持续充电也非常地耗电。大体来说,一个典型的数据中心内,有效能耗(服务器用于处理数据所需能耗)仅占总能耗的1/30。虽然服务器为了应付不时之需必须留有余地,能源利用率不可能达到100%,但学术与研究机构认为多数企业完全有能力让现实变得更美好一些。

劳伦伯克利国家实验室的国家能源研究科学计算中心就成功让自己的服务器达成了96.4%的能源利用率,他们有效地分配排序待办事项使得服务器一天24都能“充实”地工作。而圣克拉拉的企业Power Assure也开发出了让服务器闲时安全减少功率的技术,这项本该备受科技企业欢迎的技术奈何在市场上却很不受用。Power Assure的经理McEnroe表示,“市场明明需要这项技术,但企业不采用,这真让人焦急。”

电力研究所的Symanski认为,这种情况的发生就是因为“节能对他们无关紧要,保证服务器永远正常运行才是他们的生命”。

昂贵的忧患意识

在Manassas毫不起眼的一隅,静静地躺着亚马逊的一个数据中心。根据弗吉尼亚州环境质量监测部门的记录,亚马逊在该州最少设有八个数据中心,马纳萨斯数据中心只不过是其中一个。

亚马逊是弗吉尼亚州环境质量监测部门的“熟客”了,他们2010年因未获批准擅自运行发电机被处以约55万美元的罚金。经过不断地协商,亚马逊终于将这笔罚金的总额下降到26万美元。即便要缴纳高额罚金,但亚马逊也别无他选,因为备用发电机每隔一段时间必须得检测一次。亚马逊的发言人Drew Herdener坦言,公司“没有得到相关许可。”“不过后来这些发电机都取得了环境部门的许可和支持”,海德纳补充道。

无论亚马逊的发电机有没有获得环保许可,大型发电机和我们想象中的互联网产业都八竿子打不着干系。而弗吉尼亚环境署的前任经理Terry Darton对外宣称,得到该州许可的数据中心备用发电机总输出相当于一座核电站。“备用电源的规模之大足真是令人吃惊”,达顿说。

即便证据显示数据中心是当之无愧的能耗大户,但目前没有任何国家将数据中心数量作为评判环境状况的指标。过去的五年间,芝加哥地区的互联网巨头塞维斯与易昆尼克斯就不止一次收到伊利诺斯州环保局寄来的违规通知。亚马逊也并不是弗吉尼亚州环境质量监测部门唯一的互联网“客户”,奎斯特、塞维斯、威瑞信和日本电报电话美国分公司都是该部门的座上客。

虽然互联网企业挥霍着大量能源保障服务器正常运转,但服务器当机的情况依旧时有发生。导致服务器崩溃的情况各式各样,亚马逊对2010年5月的一起服务器事故的解释是:“一起交通事故撞毁了我们数据中心旁的高压电线杆。”无论这场车祸是否属实,但这起事故中亚马逊的备用电源并没有发挥出理想中的作用。经历了此事的亚马逊看来是不会在节能上做出任何妥协了,发言人海德纳总结道:“我们不能让这种情况再次发生。”(文/果壳网

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