網際網路世界背後：虛擬數字空間也有真實的高能耗
[ 摘要 ]為了網際網路世界的流暢高速運轉，資料中心們日夜不息，多重備份，應急保障，把自己搞得發燙。為了降溫，需要大量的製冷裝置。
工作日的早上，睜開眼的第一件事是什麼？毫無疑問，拿過手機看一眼時間，再刷一下微信。用兩秒鐘，進入一天的網際網路生活。
匆匆早飯後，點開打車軟體，叫了輛車上班，一路用地圖看實時路況，總算沒遲到。到了公司，開電腦處理郵件，更新工作日誌，開始上網查資料——公司的網總是那麼慢，跟合作伙伴傳檔案，捉急起來還要拿手機開熱點幫忙。
忙活一上午，不知不覺快12點了。外面大風起，手機上的天氣APP提示要下雨。和同事們一起定了外賣。
下午，一件麻煩的工作搞得你快瘋了，寫了25封郵件打了18個電話發了200條微信，終於在臨下班時解決了問題。外面雨過天晴，決定去爽一下。約起朋友，用點評網團購了餐券，順便在手機上買了兩張電影票。
電影不錯，有一段配樂特別好聽。回家路上，你開啟音樂軟體，找到了這段音樂，隨後它又根據偏好推送了其他音樂。邊聽邊刷微信，發現差點忘了正在追的韓劇今晚更新！昨天專門為此買了視訊網站的會員，到家後趕緊追兩集，心滿意足，準備洗洗睡。牙膏快用完了，躺在床上用手機下單買，順便買了洗髮水零食。
完美的一天。
▲ (C) fixatgt.com
我們活在網路世界裡。
每一家網際網路公司和電信運營商都宣稱要“連線人與XX”“連線一切”。電腦、手機、智慧電視，覆蓋衣食住行的網際網路應用，讓人每時每刻的一舉一動，都通過劃一劃螢幕，點一點滑鼠，置於資訊世界的天網中。
行動軌跡、購物習慣、社交行為、興趣愛好、財務狀況、言論內容……關於你的一切，都化為資料，存放在那些網際網路公司和運營商的伺服器上，拼成了一個資訊化的人。
你鄙視《XX的後裔》，追《XX屋》或者《XX的遊戲》？隨便你。在資訊的世界裡，這些是平等的，鄙視鏈並無意義，一切不過是由0和1組成的資料而已。
科幻電影描述的景象就在眼前，我們已被包圍，並樂在其中。
資料爆炸
資料的最小單位是位元組（Byte），一個字母那麼大。單位演進是這樣的：
1B（Byte位元組）；
1KB = 2^10 B = 1024 B；
1MB = 1024 KB = 2^20 B；
1GB = 1024 MB = 2^30 B；
1TB = 1024 GB = 2^40 B；
1PB = 1024 TB = 2^50 B；
1EB = 1024 PB = 2^60 B；
1ZB = 1024 EB = 2^70 B；
1YB = 1024 ZB = 2^80 B；
1BB = 1024 YB = 2^90 B；
1NB = 1024 BB = 2^100 B；
1DB = 1024 NB = 2^110 B；
1CB = 1024 DB = 2^120 B；
1XB = 1024 CB = 2^130 B；
……
十年前，個人電腦的硬碟大約是120GB，現在可能是1TB。而目前人類的資料量已經進入ZB時代。
國際資料公司（IDC）的報告稱，2013全球資料量為4.4ZB，增長速度在每年40%左右。若以此計算，到2020年將超過45ZB。
未必會這樣均勻加速。全球網路指數機構（GWI）的調查顯示，擁有智慧手機的人數佔全球總人數的近80%。智慧家居市場已興起，每樣家電恨不能都要整合在一個手機應用上操控，這意味著它們的日常使用資料統統進入了網際網路。他們還想把汽車聯起來。網際網路公司爭造無人車，各車企也在謀劃物聯汽車戰略。有機構預測，到2020年，超過20%的汽車將聯網，2025年車聯網實現全面覆蓋。估計未來每輛汽車都是一個移動的智慧裝置，萬物互聯指日可待。
▲ 美劇《矽谷》裡，智慧冰箱們已經實現了“萬物互聯”，極客甚至借用冰箱裡的電腦處理器作為算力基礎。 (C) Silicon Valley
上面的資料單位表也會越來越長。
目前最大的單位XB有多大？有人算過，假設你有個1XB的行動硬碟，裝滿MP3，每首10MB大小，大約可以裝100,000,000,000,000,000首歌。如果每首歌播放要3分鐘，你可以連續聽570,776,255,707年。地球已經存在了48億年，但不及這個時間的1/100。
網際網路就像人體的神經網路，連線每個細胞，無處不在。生成的巨量資料，儲存在資料中心的超級伺服器上。資料中心就像人的大腦，儲存，計算，發出資訊，一刻不停運轉。
高耗能的“大腦”
我們所在的這個網際網路世界正是構建在這些資料中心之上。根據Gatner的資料，2010年全球已有339萬個資料中心。IDC還曾預測，2017年這一數字將達到860萬。
Synergy Research將“超大規模資料中心”定義為“擁有幾十萬臺伺服器——有時甚至是數百萬臺”，按此標準，到2017年，全球已有390個這樣的龐然大物，僅一年時間就新建了近一百座。百度在山西陽泉的資料中心的建築面積超過12萬平方米，早在2014年就投入使用。阿里在江蘇南通投資180億元建資料中心之後，又在印度孟買、印尼雅加達開拓新的巨型節點。
為了網際網路世界的流暢高速運轉，這些資料中心日夜不息，多重備份，應急保障，把自己搞得發燙。為了降溫，需要大量的製冷裝置。裝滿伺服器、控電裝置和製冷裝置的資料中心，是超級電老虎。
▲ 一處資料中心。 (C) ubc.ca
一個大型資料中心的用電量，相當於一箇中小型發電廠，可供一個小鎮的家庭照明。谷歌在全球有36個數據中心，微軟官方稱有100個以上，伺服器總量超過100萬臺。掌管著寬頻的電信運營商是網際網路的樞紐，更是資料中心大戶，中國聯通目前的資料中心也可承載百萬臺伺服器，遍佈31個省。
而這樣規模龐大的資料中心，其運算能力是為峰值而準備。傳統伺服器的利用率很低，據估計80%以上的計算能力閒置。例如阿里和各大銀行的伺服器，只有“雙十一”才會全速運轉，平時則大量用於備份資料等保障工作。還有一些老舊伺服器本身效率低下。我們使用的雲服務，可能就來自這些閒置機器。
▲ 谷歌工作人員正在為伺服器更換主機板。
製造了網際網路世界的巨頭很少披露資料中心的具體規模和能耗，他們以高科技、輕資產、無汙染的形象面對公眾。其實這些大型資料中心耗費巨量電能、產生大量的溫室氣體排放，消耗大量的水資源以及裝置廢棄後造成的汙染，都給資源和環境帶來了巨大挑戰。
這一問題已引發各國關注。美國政府實施了“資料中心能源之星”“聯邦資料中心整合計劃”，歐盟實施了“資料中心能效行為準則”，國際綠色網格組織開展了資料中心節能標準制定和最佳實踐推廣，引導資料中心節能環保水平的提升。各資料大戶的企業巨頭們也已開始行動。
冷卻
在資料中心的能耗中，約有一半是用於製冷。24小時*365天和伺服器一起工作的空調系統，使能耗居高不下。除了對系統進行優化改造，資料大戶們也想了各種辦法冷卻“大腦”。
▲ 谷歌位於芬蘭的資料中心。
有些公司選擇在北歐建立資料中心，因為更涼快。瑞典、芬蘭、丹麥都是好地方。Facebook在瑞典的中心位於北極圈附近，可以引入乾淨的外部空氣冷卻，當地的水電也很便宜。冰島也希望將自己打造成資料中心的首選地——這個國家的電力幾乎100%來自可再生能源，包括地熱能和水力發電。
還有些公司近水樓臺。阿里雲位於浙江千島湖的資料中心於2015年啟用，採用湖水製冷。深層湖水通過密閉的管道流經資料中心，幫助伺服器降溫，再流經2.5公里的青溪新城中軸溪，作為城市景觀呈現，自然冷卻後再回到千島湖。這讓資料中心90%的時間都不依賴外部能源製冷，能耗節省超過8成。微軟正在嘗試將伺服器放進防水的鋼鐵膠囊容器中，再置於海洋中。但此類工程建設和運營對水環境的影響，則不得而知。
▲ 阿里巴巴冷卻機房。
越來越多的資料中心傾向於使用可再生能源，從而減少環境影響。在網際網路最興盛的兩個國家——中國和美國，風能和太陽能是主力。Google幾年前宣稱，已經通過使用可再生能源和購買碳匯，實現了零排放。
提升
但上述這些只是極少數。受限於地理位置、電力供給、城市配套設施、運營成本和安全等因素，絕大多數的資料中心難以選擇需要高投入的節能方案。我們每天點選滑鼠、交流資訊、備份檔案，都在向這些龐大的機器提出需求，共同消耗著能源。資料中心的能源使用效率仍需整體大幅提升，尤其在中國。
資料中心的能效利用主要通過PUE值來表示，它是資料中心消耗的所有能源（包括電力轉化消耗、製冷、備用電池的持續充電等非有效能耗在內）與IT負載使用的能源（有效能耗）之比。PUE值越接近於1，表示一個數據中心的綠色化程度越高。
目前，美國資料中心平均電能使用效率為1.9，谷歌、微軟等大型使用者的最先進資料中心的電能使用效率據稱可低於1.3。反觀中國，這一指標平均值在2.0-2.5，政務類資料中心的資料普遍高於2.5，還有大量電能使用效率高於3的資料中心。
研究表明，單是應用現有節能技術，便可分別使我國的資料中心IT裝置系統、空調系統、配電系統平均實現節能25%、36％和18%，從而使資料中心整體水平實現節能35%。2011年，全國資料中心總耗電量達700億千瓦時，若真能實現35%的節能，也將節省全社會用電量的0.53%。
國家也已出臺相關政策意見部署資料中心工作，並建立相關綠色標準。2015年，工業和資訊化部、國家機關事務管理局、國家能源局三部委聯合印發《國家綠色資料中心試點工作方案的通知》，推動綠色資料中心發展。
資訊也要斷舍離
資料中心的綠化之路雖有政府的推進、企業的投入，仍任重道遠。晝夜不停流轉的資訊背後需要大量能源的支撐。於我們每個人而言，所能貢獻的，是對資訊的“斷舍離”。
隨手拍的一萬張照片，是否都要保留？修改了幾十個版本的方案，每一版都捨不得刪？看過的影視劇，真的還會再看？過期的垃圾郵件多少年沒清理過？電腦硬碟和U盤都有儲存上限，用太久存太多會導致運轉速度變慢、電腦發燙，遑論上億人不斷往資料中心上載的資料。
虛擬空間並非無限大，資料資訊雖無形，卻需要消耗實實在在的儲存空間和能源，以及生產裝置本身的資源能源消耗。網際網路的輕、快背後，也有沉重的負擔。斷舍離，可以為它減一點負。
Gmail郵箱會定期自動刪除舊垃圾郵件。騰訊郵箱曾經發起“最亮的明天——暖燈行動”，鼓勵使用者清理不再需要的舊郵件。當參與的使用者刪除郵件總量達到150T時，騰訊公益捐贈40萬元人民幣，用於貧困地區的學校改善照明環境。網路空間對使用者來說遙遠而模糊，網際網路公司加以引導，不失為上選。當然，即便沒有捐贈的激勵，每個人隨手刪減記憶體，每個機構定期清理伺服器，也是節約能耗的綠色之舉。
“眾籌”資料中心
還有一種更加神奇的方式，可以將閒置效能用起來，即“眾籌”資料中心。
2016年2月，科學家宣佈探測到引力波，舉國刷屏。中國科學家胡一鳴撰寫科普文章，並倡導：用你的電腦，一樣可以為引力波的搜尋做貢獻！由於探測和搜尋需要大量的計算資源，所以常年徵集志願者貢獻CPU時間，下載一個程式，就可以用電腦閒時的空餘CPU，幫助處理來自科學組織的資料。NASA、伯克利大學、斯坦福大學，都倡導過此類行動。
這種“眾籌”由於運算技術和效率上的欠缺，沒有成熟廣泛的應用，一些科研專案由於經費缺乏，但運算指令明確、容易分解，所以有所嘗試。有趣的是，專案集中在最巨集大的天體物理和最微觀的生物醫學領域，例如尋找外星人和蛋白質研究，它們本身看起來就像萬物互聯一樣有未來感。
這些未來，已在眼前，我們最好有所瞭解。
因為了解，我們不期盼未來或在某個機箱轟鳴的夜裡，蒼穹之下，一片寂寥，群星閉上了眼睛。
*部分資料來源：《中國資料中心能效研究報告》