Foto: TT

Hur mycket el förbrukar världens datacenter egentligen?

2020-05-14 06:00  

Det finns en enorm oenighet om hur mycket energi som går åt till att driva vårt digitala samhälle. I fem delar går Ny Teknik igenom hur olika forskare ser på frågan – och försöker reda ut om elförbrukningen kommer att minska eller öka i framtiden.

Simon Campanello

  • Del 1. En hätsk debatt
  • Del 2. Ericsson: ”Peaken är passerad – utsläppen minskar”
  • Del 3. Forskare: ”Utsläppen är höga och ökar alltjämt”
  • Del 4. Forskningsinstitutet: ”Sanningen ligger någonstans i mitten”
  • Del 5. Därför är prognoserna så svåra att ställa

Del 1. En hätsk debatt

Är datacenter energislukande miljöbovar eller inte? Står tekniksektorn för en dryg procent av de samlade koldioxidutsläppen, eller mångdubbelt mer? Ökar energiförbrukningen, eller minskar den? Bilden går isär, och frågorna är allt annat än enkla att svara på.

Samtidigt är tekniksektorns energikonsumtion en hett debatterad fråga. Många varnar för att ökad digitalisering leder till skenande elförbrukning, andra menar tvärtom att digitaliseringen kan hjälpa oss minska våra klimatutsläpp.

Ny Teknik har tittar närmare på ett par av förklaringsmodellerna för att försöka förstå vad de egentligen säger, och varför forskarna är så oense om resultatet.

Det finns i grova drag två motpoler. En grupp som anser att med ökad efterfrågan på beräkningskraft och mer datatrafik kommer oundvikligt en ökad energiförbrukning och i förlängningen ökade koldioxidutsläpp.

Sedan finns den motsatta bilden av att vi tack vare utveckling av mer energieffektiva komponenter och system kan frikoppla oss från det sambandet. Kort sagt att det går att fortsätta öka beräkningskraften i världen och rusa rakt in i digitaliseringen – utan att dramatiskt öka utsläpp och energiförbrukning.

Läs mer: Svenska chipet ger gigabitfart utan fiber

Del 2. Ericsson: ”Peaken är passerad – utsläppen minskar”

Debatten om hur mycket el som datacenter, internet och telekom konsumerar ofta kretsar kring en oro för en ständig ökning. Men forskare vid Ericsson Research ser en annan utveckling i sina prognoser.

Enligt en vetenskaplig artikel skriven av forskare på Ericsson och Telia förbrukad informations- och kommunikationsteknik (IKT) drygt 1 000 TWh år 2018, det motsvarar cirka 4 procent av världens elförbrukning samma år. Runt en femtedel går att härleda till tillverkning och FoU, resten kommer i stort sett helt från driften av alltifrån mobilnät och datacenter till laptops och mobiler.

Sektorn uppskattas samma år ha gett upphov till runt 1,4 procent av de globala koldioxidutsläppen (710 miljoner ton).

Ericsson tycker sig också se ett trendbrott. Fram till mitten 2010 ökade både elförbrukning och koldioxidutsläpp. Därefter låg nivån relativt stabilt fram till 2015, för att nu ha gått in i ytterligare en fas.

De senaste åren ser Ericsson en långsamt ökande elförbrukning, samtidigt som koldioxidutsläppen från sektorn minskar. Mycket tack vare mer förnybar el i mixen, och att många aktörer i IKT-sektorn har genomfört stora investeringar i grön energi.

– Investeringarna gör att de totala koldioxidutsläppen minskar något, dock ser vi att elförbrukningen kommer att gå upp, men väldigt marginellt. Vi ser inget som på några års sikt ska förändra de trenderna, säger Jens Malmodin som är livscykelexpert på Ericsson Research.

Jens Malmodin är livscykelexpert på Ericsson Research. Foto: Ericsson

Han började titta på energiförbrukning hos elektronikprodukter i slutet på nittiotalet när Ericsson skulle undersöka livscykeln hos en basstation i mobilnätet. Sedan vidgade bolaget perspektivet till mobiltelefonerna de då tillverkade ihop med Sony, och till sist till hela mobilnätet. Sedan tio år tillbaka publicerar bolaget globala studier av energiförbrukningen inom IKT-sektorn. Den typen av studier kan ligga till grund för att minska energikonsumtion, både i stort och smått.

– Något vi såg tidigt i studierna var att folk hade laddarna i väggen hela tiden, trots att telefonen var fulladdad. Då gjorde vi telefonladdaren ”smart” nog att bryta laddströmmen när laddningen inte behövdes, och på det sättet kunde man dra ner förbrukningen med en faktor tio. En lågt hängande frukt, men det gäller att se den, säger Jens Malmodin.

Läs mer: Saab lanserar molntjänsten Egira – utmanar Amazon och Microsoft

I Ericssons egna rapporter lägger bolaget ofta två utvecklingskurvor bredvid varandra. Den ena visar elförbrukningen i eller koldioxidutsläppen från IKT-sektorn, den andra visar ökningen i datatrafik. Där den förstnämnda är tämligen flack ser den andra ut att växa exponentiellt.

– Teknikutvecklingen möjliggör en högre datatrafik till samma energiförbrukning, menar Jens Malmodin.

Introduktionen av smarta mobiler tros också påverka den totala energiåtgången för IKT-sektorn. Genom att appar kan ersätta alltifrån digitalkameror och miniräknare till väckarklockor och navigationsenheter fasas en uppsjö av produkter ut från marknaden. En annan bidragande orsak är att utvecklingen mot mer energieffektiva produkter och komponenter går tillräckligt snabbt för att möta ökade behov av beräkningskraft.

En annan forskare som kommit fram till liknande slutsatser om elförbrukning är Stanford-professorn Jonathan Koomey. Han är en dignitet i fältet, så till den grad att han har gett upphov till sin egen regel: Koomeys lag. Det är en slags vidareutveckling av Moores lag, Intel-grundaren Gordon E. Moores devis om att prestandan i processorer kommer att öka exponentiellt. Koomeys lag bygger i stället på att antalet beräkningar som kan utföras med hjälp av en joule ökar exponentiellt.

Foto: Eyevine/TT

I mars 2020 publicerades artikeln Recalibrating global data center energy-use estimates i den vetenskapliga tidskriften Science. Den är signerad ett forskarlag där Koomey ingår och redogör för elförbrukningen i datacenter under 2010-talet. Den bild som målas upp påminner starkt om den Ericsson tecknat över hela IKT-sektorn: en långsam ökning i energiförbrukning samtidigt som beräkningskraften ökar exponentiellt.

Enligt artikeln har elförbrukningen i världens datacenter ökat från 194 TWh år 2010 till 205 TWh år 2018. En måttlig ökning på sex procent, medan beräkningskraften under tiden ska ha sexdubblats, och ip-trafiken tiodubblats.

Forskargruppen menar att vi har energieffektiviseringen att tacka för att vi lyckats klippa bandet mellan ökad kapacitet och ökad energiförbrukning. Men de manar också till tillförsikt. Om utvecklingen ska kunna fortsätta lika snabbt krävs stora investeringar i energieffektiv teknik här och nu, gärna med statliga incitament.

Läs mer: Ericsson: ”Vi tror mycket på 3d-internet”

Ericsson använder en lång rad källor för att göra sina uppskattningar. Här finns både artiklar från andra forskare, bland annat ovan nämnda Koomey, och egna data som hämtats in från Ericsson egen verksamhet och från över 100 av världens största tillverkare, operatörer och tjänsteföretag inom IKT-sektorn.

– Vi tycker på det hela att vi har skaffat oss väldigt mycket data. Vi har hållit på med det här i många år och har följt utvecklingen i branschen, säger Jens Malmodin.

Ericsson använder sig också av försäljningsestimat från analyshus som IDC och IHS för att uppskatta hur många servrar, telefoner, datorer och annan teknik som säljs årligen. Uppgifter som sedan multipliceras med olika livscykelanalyser för enskilda produkters energikonsumtion och koldioxidutsläpp.

Ericsson menar slutligen att koldioxidutsläppen från IKT-sektorn kan reduceras markant eftersom så stor del av den kommer från elförbrukningen. Genom att fortsatta och utöka investeringar i grön energi skulle koldioxidutsläppen från branschen kunna minska med upp till 50 procent. Ytterligare 30 procent skulle kunna skäras bort om slutanvändarna kan driva sin elektronik med förnybar energi.

– Vi tillhör en sektor där energikostnaden för de flesta inte är så stor. Vi ska kunna göra det klivet utan att det kräver allt för mycket av oss, och kan vi göra tidiga investeringar i grön teknik kan vi se till att utvecklingen också går snabbare, säger Jens Malmodin.

Läs mer: Vill du veta allt om 5g? Här är jätteguiden

Del 3: Forskare: ”Utsläppen är höga och ökar alltjämt”

Men alla instämmer inte i bilden som Ericsson målar upp.

Den svenska miljöexperten Anders Andrae gjorde ett dramatiskt intåg i debatten om datacenter 2015. Då publicerades artikeln On Global Electricity Usage of Comunication Technology: Trends to 2030 som han skrev tillsammans med kollegan Tomas Edler. Andrae jobbar i dag med miljöfrågor på Huawei i Kista, men poängterar att det är han själv och inte telekomjätten som står bakom denna och efterföljande artiklar.

I rapporten från 2015 pekar de båda forskarna på risken för en halsbrytande ökning av tekniksektorns elförbrukning.

De hade samlat in data om elförbrukning inom en rad teknikområden, och extrapolerat denna. Enligt artikelns worst case-scenario skulle datacenter, mobilnät och konsumentelektronik och dess tillverkning kunna konsumera över 30 000 TWh år 2030. Det skulle motsvara mer än hälften av den globala elförbrukningen.

Som slagträ i debatten nämns ofta att datacenter och internet står för en tiondel av världens elförbrukning 2020. Den siffran kan härledas till samma rapport, och motsvarar ett ”business as usual”-scenario.

Anders Andrae är miljöexpert på Huawei och bedriver egen forskning kring IKT-sektorns elförbrukning. Foto: Huawei

I dag står Anders Andrae fast vid sin metodik, men menar att vissa antaganden i ursprungsrapporten var för drastiska. Han påpekar också att det best case-scenario som fanns med i artikeln ligger relativt nära den verkliga utvecklingen.

– Jag vill tona ner det gamla worst case-scenariot. 30 000 TWh till 2030, det borde vi helt enkelt inte ha haft med. Det är ett orealistiskt scenario som det, med den kunskap vi har i dag, inte finns något stöd för, säger Anders Andrae.

Läs mer: Amazon utmanar Microsoft – lanserar kvantdatortjänst i molnet

Sedan 2015 har han förfinat antagandena i sin modell i flera uppföljande rapporter och artiklar. Hans siffror är fortfarande markant högre än exempelvis Ericssons.

I den senaste artikeln från mars i år uppger Anders Andrae att IKT är en av de tre sektorerna som kommer att öka sin energiförbrukning mest under 2020-talet, bredvid elbilar och vätgasproduktion.

– Jag tror att energiförbrukningen ökar, men inte att ökningen är katastrofal. Fast det sistnämnda är jag inte rätt person att bedöma, säger Anders Andrae.

Den senaste modell som Anders Andraes har tagit fram bygger på antaganden om hur mycket beräkningskraft som används i världen, mätt i zettainstruktioner per sekund (zips). Den siffran kan sedan delas med hur många gigainstruktioner som uppskattningsvis kan utföras per joule (gipj), en siffra som ökar i takt med att datorkomponenter blir mer energieffektiva. Resultatet blir en uppskattning på hur många gigawatt som datorberäkningar kan tänkas kräva globalt.

Den modellen säger att tekniksektorn kommer att ha en konstant medeleffekt på 233 GW i år, enligt Andraes senaste artikel. Under det paraplyet räknar han in beräkningar som sker globalt i all elektronik.

233 GW kan räknas om till lite drygt 2 000 TWh. Ungefär dubbelt upp mot Ericssons uppskattning, eller runt 7 procent av den totala globala elförbrukningen och mellan 4-5 procent av de globala koldioxidutsläppen som mänskligheten orsakar. Datacenter specifikt beräknas ha en medeleffekt på 33 GW i år, en siffra som kan öka till 89 GW år 2030.

I samma rapport skriver Anders Andrae att hans modell pekar på att hela sektorn kan öka sitt effektbehov till 560 GW år 2030, motsvarande ungefär 4 900 TWh. Det skulle utgöra någonstans run 14 procent av den beräknade globala energikonsumtionen samma år, baserat på en extrapolation av historiska energidata från BP.

Läs mer: Därför vill alla bygga datacenter i Sverige

En orsak som Anders Andrae pekar ut som orsak till ökningen är att teknikutvecklingen som beskrivs i Moores lag har avstannat. Den har i sin tur legat till grund för den lag som bär Jonathan Koomeys namn och alltså säger att det över tid går att antalet beräkningar som kan utföras per joule ökar exponentiellt.

Foto: USA TODAY Network

Om utvecklingen av processorerna går långsammare, så att antagandena i lagen inte längre stämmer, samtidigt som behovet av beräkningar ökar, kan det leda till ökad energiförbrukning.

Om utvecklingen enligt Moores lag är på väg att stanna av eller inte är ett ämne som är nästan lika omdebatterat som det om IKT-sektorns elförbrukning. De flesta är nog överens om att miniatyriseringen av transistorer har stannat av till den grad att det inte per automatik går att få in fler kretsar på samma chipyta år efter år. Samtidigt har prestandaökningen i processorer kunnat fortsätta tack vare exempelvis bättre chipdesign, fler processorkärnor och skräddarsydd mjukvara.

Slutsatserna i Andraes artiklar kritiseras i både Ericssons och Koomeys rapporter. Framförallt lyfter Koomey lyfter fram att han inte anser att extrapolation är en bra metod för att uppskatta elförbrukningen inom den snabbfotade tekniksektorn.

– Jag håller med om att man inte kan extrapolera långt fram i tiden, men det är antaganden, säger Anders Andrae. Väldigt många yrkesgrupper skulle bli arbetslösa om man inte fick göra prognoser.

Själv riktar han kritik tillbaka mot de mer optimistiska rapporterna. Anders Andrae anser bland annat att Koomeys rapporter brister i transparens när det kommer till hur forskarna tagit fram sina resultat. Samtidigt efterlyser han fler forskare som hjälper till att undersöka hur mycket energi som faktiskt avnänds av IKT-sektorn.

– Det är alldeles för få som tittar på den här frågan. Det måste finnas fler än jag, Ericsson och Koomey och några till. Det är väldigt viktigt, säger han.

På en punkt är Anders Andrae dock överens med branschkollegorna på Ericsson. Han menar att IKT-sektorn medför relativt låga utsläpp i förhållande till vad tekniken ger tillbaka.

”Med 4-5 procent [av koldioxidutsläppen] kommer utsläpp från beräkningar och digitalisering även fortsätt att vara en relativt liten del av de globala [utsläppen] under det här årtiondet”, skriver Anders Andrae i den senaste rapporten.

Läs mer: Kabeltunnlarna är en outnyttjad värmekälla

Del 4. ”Sanningen ligger någonstans i mitten”

I dagsläget finns det alltså rapporter som tyder på att alltifrån någon procent till en tiondel av den globala elförbrukningen går att härleda till IKT-sektorn. Vem som sitter på korrekt data är svårt att säga.

– Vi vet att det ligger någonstans mellan en och tio procent, men det är något som är väldigt svårt att räkna ut, så vi vet inte det exakta värdet, säger Jon Summers som är adjungerad professor i strömningslära vid Luleå Tekniska Universitet och forskningschef på Rise Sics North.

Jon Summers är forskningschef på Rise Sics North. Foto: Tomas Bergman

Det är det nationella svenska forskningsinstitutets nordligaste utpost som är lokaliserad i Luleå, några minuters körväg från Facebooks enorma datacenter i staden. Anläggningen är dedikerad åt forskning som rör datacenter och energiförbrukning.

Forskarna vid Rise Sics North håller ett vakande öga över de rapporter som kommer ut om energieffektivitet i den teknik som utgör själva ryggraden i vår digitala infrastruktur. Forskarna har noterat att det har blivit en kamp för företag som Intel att fortsätta öka prestandan och energieffektiviteten i sina komponenter i samma takt som tidigare.

– Det finns gott om bevis för att Moores lag har det tufft nu. Jag menar, ett typexempel på det är att Intel brukade berätta hur många transistorer som satt i deras processorer, och nu gör de inte det längre, säger Jon Summers.

Läs mer: Google storsatsar på svensk vindkraft

Samtidigt som han poängterar att det är svårt att ge en slutgiltig dom i frågan om vem som har rätt när det gäller branschens energikonsumtion, menar han att det finns ett antal punkter som talar emot de allra mest positiva rapporterna. De som säger att förbrukningen planat ut eller rentav minskar.

Som exempel nämner han uppgifterna om att serverförsäljningen enligt de stora analysfirmorna mer eller mindre stått stilla under de senaste åren. En marknad där Intel dominerar med en bra bit över 90 procent av försäljningen av huvudprocessorer (cpu).

– Om försäljningen av servrar har planat ut eller går ner, varför kan Intel ändå inte leverera så många serverprocessorer som efterfrågas? Jag tror att det finns ett enkelt svar. Eftersom hyperscale-aktörer går direkt till Intel och beställer miljoner cpu:er till sina kommande datacenter och de hamnar i omärkta servrar som aldrig når försäljningslistorna, säger Jon Summers.

Hyperscale är en term som används för de allra största datacentren som ofta kan rymma tiotusentals servrar. Om stora aktörer skulle beställa stora mängder chip direkt från leverantörerna, skulle det innebära felaktigheter i de estimat som analysfirmorna gör baserat på det som säljs på den öppna marknaden. Det skulle i sin tur göra att uppskattningar som bygger på analytikernas data, som de från Koomeys forskargrupp till exempel, inte stämmer.

– Google är ett av världens mest transparenta hyperscale-företag, och under 2018 ökade deras energiförbrukning med en tredjedel. Hur kan vi då vara i en utplaning?, undrar Jon Summers.

Ett annat frågetecken finns i den övergripande trenden där företag flyttar sina applikationer och system från lokala servrar till datacenter, det som brukar kallas migration till molnet. Förespråkarna menar att detta leder till minskad energiförbrukning när allt alla servrar körs i en mer energieffektiv miljö.

Men det är bara sant om teorin stämmer fullt ut.

– Problemet är att en del företag faktiskt inte stänger av all utrustning som körs internt när de flyttar till molnet, säger Jon Summers.

Han betonar att han inte har någon data på hur vanligt det är att företag låter delar av den lokala servermiljön fortsätta snurra i onödan trots att bolaget migrerat till molnet. Men den typen av beteende skulle betyda att en flytt till molnet i värsta fall betyda att ett företags totala energiförbrukning ökade i stället för minskade.

– Allt detta sammantaget leder till huvudfrågan, hur mycket energi använder datacenter egentligen? Det finns beteenden som tyder på att det inte kan minska eller ha planat ut. De här argumenten säger att den måste öka, och snabbare än vad vi kan öka energieffektiviteten i systemen, säger Jon Summers.

Läs mer: Kallt saltvatten hjälper datacentret minska klimatavtrycket

Del 5: Därför är prognoserna så svåra att ställa

Något rakt svar på hur mycket el som tekniksektorn konsumerar och hur mycket koldioxid den släpper ut i dag är alltså inte möjligt att få i dagsläget. Än värre är det med prognoserna framöver.

Förutom problemen som har lyfts i artikeln hittills finns det tre faktorer som de experter Ny Teknik talat med som försvårar prognoserna:

1. Nya framsteg

Det finns en lång rad företag och forskare som arbetar med att ta fram nya, mer energisnåla komponenter. Hur hårdvaran är designad, vilka material som används i halvledare och hur mjukvaran är optimerad kan göra enorma skillnader i den totala energiförbrukningen. Men när nästa stora utvecklingssteg tas, och hur det ser ut, vet ingen med säkerhet.

2. Nya energiintensiva vanor

Artificiell intelligens, maskininlärning, 5g och iot är megatrender som medför stora ökningar i beräkningskraft och kommunikation. Men vilka nya beräkningsbehov kommer vi att få under kommande år? För tio år sedan visste ingen att kryptovalutor skulle förbruka uppemot 100 TWh el om året.

3. Elmixen avgör avtrycket

Om världens ekonomier lyckas genomföra en stor omställning till förnybar energi kanske vi kan fortsätta att se en ökning i IKT-sektorns energiförbrukning utan att de totala utsläppen från sektorn ökar.

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer