Bài toán điện năng ở các trung tâm dữ liệu lớn

Các trung tâm dữ liệu đang sử dụng trung bình khoảng 200 terawatt/giờ (TWh) mỗi năm, nhiều hơn tổng mức tiêu thụ năng lượng của một số quốc gia như Iran, tương đương 1% nhu cầu điện toàn cầu và chiếm 0,3% tổng phát thải carbon toàn cầu. Đến năm 2030 lượng điện tại các trung tâm dữ liệu có khả năng tăng 15 lần, chiếm 8% nhu cầu dự kiến toàn cầu.

Trong suốt nửa thập kỷ qua, nhu cầu tiêu thụ điện từ các trung tâm dữ liệu không có biến động, một phần nhờ “chuyển dịch hyperscale” –việc phát triển các nhà máy thông tin siêu tối ưu sử dụng một kiến trúc máy tính đồng nhất và có tổ chức, dễ dàng quản lý hàng trăm nghìn máy chủ. Các trung tâm dữ liệu hyperscale xuất hiện khoảng 10 năm trước khi các công ty như Amazon và Google có nhu cầu gia tăng số máy chủ lên con số một phần tư triệu - Bill Carter, giám đốc kỹ thuật dự án Open Compute giải thích. Dự án được Facebook khởi xướng vào năm 2011 để chia sẻ các giải pháp phần cứng và phần mềm máy tính giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ.

Carter nói thêm: “Chúng ta có thể lược bỏ mọi thứ, chỉ để lại những gì thiết yếu nhất cho ứng dụng”. Các nhà dữ liệu hyperscale ngày nay thiết kế các khung máy chủ nhằm “loại bỏ các đầu nối video vì không cần màn hình video. Bỏ cả đèn nhấp nháy vì không cần ai theo dõi. Cũng không cần đinh vít”, Carter nói. Trung bình, một máy chủ trong một trung tâm hyperscale có thể thay thế được 3,75 máy chủ trong một trung tâm thông thường.

Trong khi đó, các trung tâm dữ liệu cũ hơn thường chứa nhiều thiết bị khó có thể tối ưu hóa - một số thậm chí còn vô ích. Năm 2017, Jonathan Koomey, một chuyên gia tư vấn về CNTT từ California, đã thực hiện khảo sát hơn 16.000 máy chủ tại các công ty, và thấy rằng một phần tư trong số đó tiếp tục tiêu thụ điện dù không hoạt động - đơn giản là ai đó quên tắt chúng đi.

Một báo cáo năm 2016 của Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley ước tính, nếu 80% máy chủ tại các trung tâm dữ liệu nhỏ của Hoa Kỳ được chuyển đổi thành các trung tâm hyperscale thì tiêu thụ năng lượng có thể giảm 25%. IEA dự báo, từ khoảng 400 trung tâm hyperscale dịch vụ chiếm 20% tiêu thụ điện của ngành; đến năm 2020, các trung tâm hyperscale sẽ chiếm gần một nửa số đó. Facebook đã phát minh một hệ thống gọi là Autoscale giúp giảm số lượng máy chủ cần phải bật trong những giờ có lưu lượng thấp với các thử nghiệm được báo cáo cho thấy việc này giúp tiết kiệm khoảng 10–15% điện.

Giải pháp phổ biến hiện nay là đặt các trung tâm dữ liệu ở các khu vực có khí hậu mát mẻ để không khí tự nhiên tự làm mát “miễn phí”. Một khu vực có khí hậu ôn đới và nhiều không gian xanh như Prineville và nhiều nơi khác đủ mát để tận dụng phương thức này, theo lời Ingmar Meijer, một nhà vật lý tại IBM Research ở Zurich, Thụy Sĩ, cho biết.

Đường ống nước cũng là một phương pháp giảm nhiệt tốt, giúp làm mát bằng nước ấm vốn cần ít năng lượng để làm ra và tái chế được. Phương pháp này đã trở thành giải pháp thực tế để điều tiết lượng nhiệt lớn tỏa từ các máy tính có hiệu suất cao, như tại các phòng thí nghiệm của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ hay siêu máy tính SuperMUC của Viện Hàn lâm Khoa học Bavaria ở Garching, Đức. Các trung tâm dữ liệu thương mại ở vùng khí hậu ấm nóng cũng có đầu tư vào các hệ thống này như trung tâm dữ liệu Project Mercury của eBay ở Phoenix, Arizona.

Đối với các hệ thống máy tính có công suất cao, cách thức hiệu quả nhất có thể làm là nhúng các máy chủ trong các dung môi có khả năng dẫn nhiệt cao. Tuy nhiên đến hiện tại thì phương pháp này đòi hỏi nhiều vấn đề chuyên môn để bảo trì.

Vào năm 2016, Google đã đặt nhóm nghiên cứu trí tuệ nhân tạo (AI) DeepMind của công ty thành nhiệm vụ điều chỉnh hệ thống làm mát của trung tâm dữ liệu để phù hợp với thời tiết và các yếu tố khác. Qua các thử nghiệm, nhóm nghiên cứu đã giúp giảm 40% chi phí năng lượng làm mát của mình. Tháng 8/2018, Google thông báo chuyển thành công hệ thống điều khiển làm mát tại một số trung tâm dữ liệu sang hệ thống sử dụng thuật toán AI.

Tìm ra các giải pháp làm mát sáng tạo và làm những giải pháp hiện có giá thành thấp hơn sẽ trở nên quan trọng trong những năm tới, như với những khu vực như châu Phi và Nam Á không thể sử dụng được phương pháp làm mát tự nhiên. Và những phát triển khác sẽ đánh thuế cơ sở hạ tầng CNTT theo những cách mới. Ví dụ, khi các xe tự lái trở nên phổ biến, các máy chủ nhỏ đặt ở chân tháp phát sóng di động sẽ cần các thiết bị công suất cao hơn có thể xử lý công việc giao tiếp và xử lý dữ liệu – cũng như cần hệ thống làm mát tốt hơn.

Song song với giải pháp làm mát là ý tưởng tái sử dụng nhiệt tỏa ra từ các máy chủ. Ví dụ Trung tâm dữ liệu Condorcet ở Paris gửi nhiệt thải trực tiếp tới Vườn ươm Biến đổi Khí hậu liền kề, nơi các nhà khoa học nghiên cứu tác động của nhiệt độ cao lên thảm thực vật. Nhiệt còn được sử dụng để làm ấm bể bơi tại Trung tâm dữ liệu của IBM ở Thụy Sĩ. Việc tái sử dụng nhiệt thải tuy vậy có xu hướng giới hạn với một nơi tiêu thụ do nhiệt khó có thể truyền hiệu quả ra ngoài trung tâm dữ liệu.

Một số nhà phát triển đang tìm cách tái sử dụng nhiệt thải để sản xuất điện. Dự án THRIVE trị giá 2 triệu USD của IBM đang phát triển các vật liệu mới có khả năng hấp thụ và giải phóng hơi nước khi tiếp xúc với nhiệt, tạo ra các ‘máy bơm nhiệt hấp thụ’ để làm mát cho các trung tâm dữ liệu.

Mặc dù trọng tâm cốt lõi là giảm tiêu thụ năng lượng của ICT, cần phải lưu ý rằng ngành công nghiệp dữ liệu có khả năng khiến các hoạt động tiêu thụ năng lượng khác của chúng ta trở nên thông minh hơn và hiệu quả hơn. IEA nêu giả thiết: nếu ô tô tự lái có thể thay thế mọi loại ô tô hiện giờ, hoạt động của hệ thống giao thông có thể được điều hòa giúp giảm tổng cầu năng lượng của ngành vận tải tới 60%. Tiêu thụ điện trong các tòa nhà đô thị, vốn chiếm 60% mức tăng nhu cầu điện toàn cầu trong 25 năm qua, có rất nhiều điều kiện để cải thiện hiệu quả: hệ thống sưởi ấm và làm mát thông minh kết nối với cảm biến thời tiết có thể tiết kiệm 10% nhu cầu điện tương lai.

ICT cũng có thể giúp giảm lượng khí thải toàn cầu bằng cách cho phép đưa năng lượng tái tạo đi trước nhiên liệu hóa thạch. Trong năm 2011, Facebook đã sử dụng 100% năng lượng tái tạo. Google và Apple tiếp bước vào năm 2012. Tính đến năm 2017, gần 20 công ty Internet đã làm như vậy.