比特币挖矿耗电？ 上网耗电更夸张！这是我们不想看到的数据

小编：记得关注哦！

简单地禁用手机上的高清彩色摄像头就可以将欧洲的数据流量减少 40%。

在美国俄勒冈州一个叫Prineville的小镇上，有三个巨大的Facebook数据中心。 你上传到 Facebook 的度假照片很可能存储在这里，公司计划再建两个数据中心。 在这些比航空母舰还大的建筑物中，数以千计的电路板排成一排地陈列在架子上，架子一直延伸到没有窗户的大厅尽头，工人们必须骑着滑板车才能穿过这段距离。

这些庞大的结构是行业新王者的宝库：信息提供商。 就市值而言，目前全球前五大公司分别是苹果、亚马逊、Alphabet、微软和Facebook，取代了壳牌和埃克森美孚等巨头。 仅仅因为信息工厂不喷出黑烟或齿轮不吱吱作响，并不意味着它们对环境没有影响。 随着互联网和手机流量需求的激增，信息产业的能源消耗也将迎来爆发式增长。

△图 | Andrae, A. 和埃德勒

目前，数据中心每年耗电量约200太瓦时，超过伊朗等一些国家的全国用电量，但这一用电量仅占全球交通用电量的一半，也相当于全球交通用电量的1%。全球总电力需求（参见“能源规模”）。 数据中心约占全球碳排放量的 0.3%，而信息和通信技术 (ICT) 生态系统——包括个人数字设备、移动电话网络和电视在内的广义定义——占全球碳排放量的 2% 以上。 这使得 ICT 的碳足迹可与航空相媲美。

未来会发生什么很难预测。 但最令人担忧的模型之一预测，到今天出生的孩子成为青少年时，ICT 将占全球电力消耗的 20% 以上，而数据中心将占三分之一以上（参见《能源预测》）。如果计算密集型加密货币比特币持续发展，能源需求的急剧增加可能会提前一天到来（参见“比特币吃货”）。

比特币吞噬者

自 2008 年比特币诞生以来，人们越来越担心挖矿会导致能源需求急剧上升。 虚拟货币由矿工开采，他们购买专门的服务器来处理不断扩展的区块链中的时间密集型计算——证明新加密货币有效性的区块链。 据国际专业服务公司普华永道数据顾问 Alex de Vries 称，到 2018 年年中，全球比特币矿工每年可能消耗 20 TWh 的电力，不到数据中心使用量的 10%。 它占全球总用电量的不到0.1%。 不过，关于他们的用电量增长速度的预测存在争议。

德弗里斯估计，到目前为止，比特币至少消耗了全球 0.33% 的电力，如果加上以太币等其他加密货币，这一数字将上升至 0.5%。 “我觉得这令人震惊，”他说。

但其他人，包括总部位于加利福尼亚的加密货币研究员 Marc Bevand，认为这些数字被夸大了并且基于粗略的假设。 到 2019 年 1 月，Bewand 估计能源使用量将至少是 De Vries 目前估计的一半。 “有所增加，但人们夸大了它，”加利福尼亚州的 IT 顾问 Jonathan Koomey 说，他目前正在收集加密货币的用电量数据。

眼下为什么比特币挖矿很费电，比特币挖矿只有在电价便宜的地方才有利润，包括中国、冰岛和北美丰富的哥伦比亚河沿岸的水力发电（贝万德认为，这里所谓的便宜是指电价大约是美国的一半）全球平均水平）。 . 当比特币矿工进入一个地区并对电网造成压力时，能源公司会通过提高费用来应对。 这可能会促使矿工要么关闭他们的系统，要么采取措施大幅提高其硬件或系统冷却的能效。

Bevander 说，比特币可能会迁移到一个能源密集度较低的区块链系统（正如以太坊正在计划的那样）。 或者，Kumei 指出，“如果比特币由于某种原因崩溃；所有这些设施都会消失。”

目前，尽管对数据的需求不断增长，但由于互联网流量和数据负载的增加以及能源效率的提高（例如关闭旧设施并用 Ryanville 镇等超级高效中心取而代之），ICT 电力消耗几乎保持不变。

然而，这种乐观的情景可能会持续不到 10 年。 美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室数据中心能效中心主任戴尔萨托说：“目前的趋势是好的，但不能保证5-10年后会是什么样子。”

随着能源紧张的未来迫在眉睫，学术实验室的科学家和世界上一些最富有公司的工程师正在探索如何控制 ICT 行业对环境的影响。 他们正在简化计算，转向可再生能源，并研究更好的方法来冷却数据中心和回收废热。

伊利诺伊州西北大学的工程师 Eric Masanet 说，ICT 的能源消耗必须“严格控制”。 Masanet 是去年国际能源署 (IEA) 关于数字化和能源的报告的合著者。 他说，如果我们要未雨绸缪，就应该控制未来的能源需求。

切换高速公路

也许对未来 ICT 能源需求最惊人的预测来自 Anders Andrae，他在瑞典华为从事 ICT 可持续性方面的工作。 据他预测，到2030年，数据中心的用电量将增长约15倍，达到全球预估用电量的8%。

这些骇人听闻的数字引发了不小的争议。 Masanet说：“多年来，人们对ICT的能源消耗作出了许多耸人听闻的预测，结果证明是毫无根据的。” 是 2014 年的三倍——但能源效率的提高意味着电力需求只会增长 3%。 据一些研究人员称，到 2020 年，随着智能手机逐渐取代更大的设备，ICT 碳足迹甚至会减少。

数据中心电力需求在过去五年中基本持平，部分原因是“超大规模数据中心转移”——即超高效信息工厂的兴起。 这些工厂采用有组织的统一计算架构，可以轻松扩展到数十万台服务器。

开放计算项目首席技术官比尔卡特告诉我们，超大规模数据中心大约在 10 年前出现，当时亚马逊和谷歌等公司开始需要超过 25 万台服务器，甚至更多。 当时，按照惯例，使用计算公司手头的东西是没有意义的。

“你有机会逐层简化，直到你得到你需要的东西，使它对你的应用程序来说是独一无二的，”卡特说。 新的超大规模数据中心专门使用准系统服务器构建。 “我们取消了视频连接器，因为没有视频监视器；我们取消了闪烁的灯光，因为没有人在机架上走动。服务器上没有螺丝。” 平均而言，超大规模数据中心的服务器在 Heritage Centre 为 3.75。

超大规模数据中心的成本节省可以从其电源使用效率 (PUE) 中得出，即所有操作（包括照明和冷却系统）所需的功率除以计算得出的功耗（PUE 为 1.0 为满分）。 传统数据中心的PUE一般为2.0； 超大规模数据中心将这个数字削减到 1.2 左右； 所有谷歌中心都达到了令人印象深刻的 1.12。

旧的或过时的数据中心设备混杂在一起可能难以优化——其中一些设备不再有用。 2017 年，来自加州的 IT 顾问、国际知名 IT 专家乔纳森·库米 (Jonathan Koomey) 和同事调查了隐藏在企业机柜和地下室的 16000 多台服务器，发现其中 1/4 是“僵尸”。 电力，这根本没有帮助——也许只是因为有人忘记关掉它们。 “这些服务器坐在那里什么都不做，只是消耗电力，这太多了。” 苦梅提到。

在 2016 年的一份报告中，劳伦斯伯克利国家实验室估计，如果将美国小型数据中心 80% 的服务器迁移到超大规模数据中心，将节省 25% 的能源消耗。 这项工作已经在进行中。

如今，全球约有 400 个超大规模数据中心，其中许多服务于过去拥有自己服务器的小公司或大学。 超大规模数据中心目前占全球数据中心用电量的 20%。 根据 IEA 的数据，到 2020 年，这一比例将达到近 50%（参见“超大规模数据中心转移”）。

△ 图| 国际能源署

冷热之战

当超大规模数据中心的负载达到极限时，效率很难进一步提升。 但企业仍在苦苦挣扎。 例如，有一种新兴的管理技术可以确保服务器尽可能长时间满载，而其他服务器则关闭而不是闲置。

Facebook 开发了一个名为 Autoscale 的系统，可以减少低流量时段所需的服务器数量； 该公司在 2014 年的一份报告中指出，试验表明该系统减少了约 10% 至 15% 的用电量。

降低超大规模数据中心PUE的一个重要途径是解决散热问题。 在传统的数据中心，一个标准的空调机组占电费的 40%。 冷却塔——通过蒸发水来冷却空气——导致了另一个环境问题：水的消耗。 据估计，美国的数据中心在 2014 年使用了大约 1000 亿升水。通过取消减压冷却器和冷却塔来节省能源和水。

一个流行的解决方案是将数据中心定位在气候凉爽的地方，让外部空气吹进来。这样的数据中心不需要在冰冷的地区。 IBM Research 的物理学家 Ingmar May 说，Prineville 已经足够凉爽，可以利用所谓的“自由空气冷却”，许多其他数据中心位置也是如此。 英格玛梅杰说。

△谷歌在俄勒冈州的数据中心，蓝色管道输送冷水，红色管道输送需要冷却的温水 | 周康妮/谷歌/祖玛

自来水是更好的热导体，数据中心可以用温水冷却，温水在冷却系统中产生和再循环所消耗的能量更少。 即使在温带气候下，温水冷却也已成为管理快速、易发热的高性能计算机冷却的明显选择，包括美国能源部的实验室和德国巴伐利亚科学院的 SuperMUC 超级计算机。

气候温暖的商业数据中心有时会投资这些系统，例如 eBay 位于亚利桑那州凤凰城的 Project Mercury 数据中心。

对于高密度、大功率计算，最有效的方法是将服务器浸入不导电的油或矿物中。 Facebook 在 2012 年尝试这样做，以保持其服务器高速运行而不会过热。 Mayer 说，浸入式冷却目前是一个棘手的专业领域。

2016 年，谷歌指派 DeepMind 人工智能研究团队调整公司数据中心的冷却系统，以应对天气和其他因素。 谷歌表示，在测试中，该团队将电费减少了 40%，创造了“测试数据中心有史以来最低的 PUE 记录”。 今年8月，谷歌宣布部分数据中心的冷却系统采用了其人工智能算法。

Carter表示，探索创新的冷却解决方案并降低现有冷却解决方案的成本将在未来几年变得非常重要。 “当我们连接世界时，会有一些地方无法使用自然空气冷却，”他说，指的是非洲。 和南亚。 与此同时，其他发展将以新的方式强调 IT 基础设施。

例如，如果自动驾驶汽车上路，信号塔中帮助这些汽车进行通信和处理数据的小型服务器将需要能够实时处理人工智能工作负载的高性能设备，以及更好的冷却系统。

今年，开放计算项目启动了一个先进的冷却项目，旨在提高高效冷却系统的易用性。 “这些超大规模数据中心已经找到了解决方案，它们非常高效，我们正在努力帮助其他人，”卡特说。

△图片 | 国际能源署/A。 安德雷

提高冷却系统效率的补充是利用服务器的废热，这可以节省其他地方的电力需求。 “它就像一种免费资源，”IBM 研究员 Patrick Ruch 说。 举几个例子：巴黎的 Condorcet 数据中心将其废热直接发送到邻近的气候变化植物园，科学家们在那里研究高温对植物的影响。

在瑞士，IBM 数据中心还为附近的游泳池供暖。 然而，热量不能很好地传输，因此废热利用通常仅限于靠近数据中心的客户，或者本身使用管道热水为房屋供暖的城市。

数据中心分布广泛，可以更广泛地利用废热，包括尝试将其转化为电能。 也有一些地方想利用余热来运行冷却设备，例如 IBM 耗资 200 万美元的 THRIVE 项目，该项目正在开发能够更好地吸收水蒸气并在加热时释放的新材料，以制造更高效的“吸附式热泵” "，为数据中心降温。

权力战争

最终，数据中心的能力取决于它们的处理器——而且处理器可以升级。 自 1940 年代以来，计算机每千瓦时电力消耗的峰值操作次数大约每 1.6 年翻一番，平均每 2.6 年翻一番。 也就是说，50年增长了100亿倍。 根据 Koomey 的计算，计算机改进的速度自 2000 年以来有所放缓，当前这一代计算将在几十年内遇到限制晶体管功能的物理障碍。

“我们正面临上升速度放缓的限制，”Kumei 说。 他认为，为了在未来实现可观的效率提升，硬件构造和计算将需要发生变化：可能通过转向量子计算。 “这基本上是无法预测的。”

虽然核心重点是减少 ICT 的能源消耗，但值得注意的是，信息产业还可以使我们在其他地方更智能、更高效地使用能源。

根据国际能源署的数据，如果所有车辆都实现自动化，那么更顺畅的交通和更轻松的拼车将有可能将交通部门的总能源需求减少 60%； 建筑物占过去 25 年全球电力需求增长的 60%，在提高能源效率方面存在巨大的改进空间：基于建筑物传感器和天气预报的智能供暖和制冷可以将建筑物未来的能源需求减少 10% .

布鲁塞尔贸易协会全球电子可持续发展倡议主任 Chiara Venturini 估计，IT 行业目前的碳足迹已经减少了 1.5 倍，到 2030 年这个数字可能接近 10 倍。

ICT 还可以通过用可再生能源替代化石燃料来减少全球碳排放。 2010 年，环保组织绿色和平发布了第一份 ClickClean 报告，对主要公司进行排名，重点关注 IT 造成的环境负担。

2011年，Facebook承诺使用100%可再生能源； 2012 年，谷歌和苹果紧随 Facebook 之后。 2017 年，近 20 家互联网公司也这样做了（尽管中国互联网巨头百度、腾讯和阿里巴巴没有效仿）。

早在 2010 年，IT 公司对能源公司的可再生能源采购协议的贡献微乎其微； 到 2015 年，他们已经贡献了一半（见“绿色增长”）。 谷歌是全球最大的可再生能源采购商。

△ 图| 国际能源署

减少对数据的需求可能是防止能源消耗无限增长的最终方法。 但恐怕很少有人会同意，比如少看 Netflix（Netflix 占美国互联网流量的 1/3）。 英国咨询工程师和数据中心专家伊恩·比特林表示，只要简单地禁用手机上的高清彩色摄像头，就可以使欧洲的数据流量减少 40%。 但他补充说，没有人敢制定这样的政策。 “我们无法关闭潘多拉魔盒，但我们可以降低数据中心的能耗。”

原文标题为如何阻止数据中心吞噬世界电力为什么比特币挖矿很费电，发表于 2018 年 9 月 12 日的《自然》新闻专题

作者：尼古拉·琼斯； 翻译：施普林格·自然上海办公室