Núvols i aire fred per a la computació

Dieu que se us escalfa el cap quan l’infleu de massa cabòries i ja no us carbura bé, o quan algú us atabala massa amb les seves dèries. Potser haureu sentit també que se us “cremen els ulls”, o les celles, després de llargues hores d’estudi.

El que sí que realment s’escalfa, però, és el cervell del nostre ordinador, el seu disc dur, quan l’atabalem amb comandes. Els seus components electrònics dissipen calor quan processen les dades i aquests necessiten operar a un cert rang de temperatura per al seu rendiment òptim. Un funcionament continu i intens pot dur a un sobreescalfament que pot repercutir en danys irreversibles per als components electrònics.

Per al dia a dia, però, els nostres ordinadors fan servir el seu paracetamol particular que els fa baixar la febre eficaçment, un element que és més important del que ens pensem: el ventiladoret integrat que n’optimitza el bescanvi de calor i en baixa la temperatura.

Si bé el mètode del ventiladoret és resolutiu per a l’electrònica casolana, no passa el mateix per als grans processadors que també fem servir cada dia, i no veiem. De fet, el nostre ordinador, o el nostre mòbil, emmagatzema i processa una fracció de les dades que emprem en el dia a dia que cada vegada es fa més petita (vegeu la figura 1).

Figura 1: (a) Volum anual global de les dades generades en zettabytes, una unitat que equival a 10²¹ bytes (10¹² gigabytes), amb la previsió fins a l’any 2025. A (b) hi trobem la distribució anual d’aquesta informació generada en funció del seu lloc d’emmagatzematge. Existeixen diferents models d’informàtica de núvol que difereixen, entre altres factors, segons el nivell d’externalització del servei i l’exclusivitat del seu accés: el núvol públic, el privat i el model híbrid. S’espera que el 2025 la meitat de les dades “viurà” al núvol públic. Avui dia, ja estaríem emmagatzemant més dades al núvol públic que als nostres dispositius i, en la mateixa línia, en els propers anys veurem com els centres de dades tradicionals de què sovint les empreses disposen perden pes relatiu respecte al núvol públic. Figura adaptada de [1].

Les fotos ja no es guarden en àlbums i ni tan sols als discs durs dels nostres ordinadors, sinó potser al nostre núvol de dades, i són compartides per Instagram o Facebook; els nostres documents potser són al Dropbox “perquè és més segur”, i ja no reproduïm un CD o un DVD per escoltar música o mirar una pel·lícula sinó que fem un clic a Spotify o Netflix (vegeu figura 1).

Els usuaris, també les empreses, cada vegada guarden menys les seves dades als seus dispositius físics, o fins i tot als centres de dades propis, i les alliberen al núvol. Val a dir, però, que alliberar no és segurament el mot més adequat. Aquestes dades continuen requerint infraestructures físiques per al seu emmagatzematge i maneig per més que hi puguem accedir per internet sempre i arreu. La competència que viu el sector està duent a una forta centralització d’aquestes estructures a grans centres de dades que permeten millors condicions d’eficiència i capacitat: els centres hiperescala [2].

La informació és poder, i els gegants de la informació i les companyies que ofereixen serveis de núvol, com Amazon, Google, Microsoft, Alibaba, IBM, o Oracle, es converteixen de facto en punts de mira de molts interessos, també en termes geopolítics. Les companyies ho saben i sovint donen molt escassa informació sobre la ubicació de les seves dades, i difícilment sabràs mai on descansen les teves. Els conflictes entre els Estats Units i la Xina, com els relacionats amb Huawei i Google o amb TikTok, són a l’ordre del dia, així com la prohibició de molts països europeus del desplegament de la xarxa 5G per part de companyies xineses [3, 4]. Fins i tot WikiLeaks s’hi afegia recentment filtrant [5] la localització dels centres de dades d’Amazon per la seva col·laboració amb els serveis de defensa dels Estats Units.

Potser no surt tan sovint a la televisió com l’AP-7 o l’aeroport del Prat, però una de les infraestructures valuoses que té Catalunya és el MareNostrum. El supercomputador s’allotja en una bonica capella reconvertida al nou culte a les dades que pren força en la societat. El seu ús va destinat principalment a projectes d’investigació científica.

Imatge 3: Projecció de la demanda d’electricitat per part de les tecnologies de la informació i la comunicació. Alguns models pessimistes auguren que el 2030 el sector absorbiria prop del 21% de l’electricitat a escala mundial. Més enllà del nostre canvi d’hàbits, altres factors com l’auge de les criptomonedes estarien impulsant fortament aquesta demanda. Caldrà estar atents, doncs, a la consolidació d’aquest creixement per descartar-ne components de comportament bombolla. Figura extreta de [6].

El món es digitalitza a ritmes trepidants, i la pandèmia de la covid-19 hi ha posat encara més benzina [7]. Aquests nous hàbits, juntament amb altres factors, han accelerat la descomunal carrera que viu el camp de la computació i que ha de donar solució al processament d’un arxiu de dades massives (big data) que cada vegada costa més d’obrir.

Els processadors es fan més eficients i fins ara han pogut atrapar prou bé la demanda en termes de consum d’energia global. S’estima que entre el 2014 i el 2020 la càrrega de treball dels centres de dades s’ha triplicat, mentre que l’augment del seu consum energètic seria tan sols d’un 3% [8]. Amb tot, s’espera que en el futur difícilment els guanys en eficiència podran compensar l’augment vertiginós de la demanda en el sector, procés ja accelerat enguany amb la pandèmia de la covid-19. Alguns pronòstics apunten que de cara al 2030 el conjunt de les tecnologies de la informació i la comunicació passaria a consumir el 21% de l’electricitat a escala global [6].

Companyies com Facebook s’escapen del nostre imaginari d’indústries contaminants, però la realitat diu que la petjada ecològica d’aquests gegants del maneig de dades comença a ser preocupant, i preocuparà [9, 10]. El nostre portàtil necessita el ventiladoret per evitar-ne el sobreescalfament i, efectivament, aquestes catedrals de la informació no se n’escapen i han d’incorporar enginyosos mètodes de refrigeració. Més enllà del consum energètic de l'electrònica mateixa, s’estima que vora un 40% del consum energètic dels centres de dades està reservat a la seva refrigeració [6, 11].

En aquest sentit, Facebook ha apostat fort per l’aire fred de la localitat sueca de Luleå, a prop del cercle polar Àrtic, i ja ha anunciat que el 2021 hi posarà en marxa el seu tercer centre de dades de la localitat. En la mateixa línia, Google aposta per l’aigua gèlida del golf de Finlàndia i també ha anunciat per al 2021 la construcció del seu sisè centre de dades a la localitat costanera de Hamina [13]. Islàndia també s’hi suma, i gegants del sector, com IBM o Vodafone, n’han destacat el seu gran interès estratègic [14]. Així mateix, a Ballangen, una petita localitat del nord de Noruega, s’hi acolliria un centre de dades que aspira a ser el més gran del món [15], amb un consum energètic esperat d’1 GW, similar al d’una ciutat com Barcelona (1,7 GW de mitjana) [16]. Aquests són només alguns exemples de la gran explosió econòmica que els països de regions fredes estan vivint, amb alguns temors, val a dir, que el sector s’estigui enfilant a una bombolla especulativa [7, 17].

Imatge 3. Post al Facebook de Mark Zuckerberg [11] on fa gala de les instal·lacions que el gegant americà de les tecnologies té a Luleå (Suècia). Un potent sistema de ventilació injecta l’aire fred propi del clima de la zona per optimitzar-ne el sistema de refrigeració.

Sigui com sigui, totes aquestes tendències han vingut per quedar-se. La digitalització no té marxa enrere, i s’impulsa a passos de gegant amb la pandèmia mundial i amb el desplegament de la tecnologia 5G. Amb el 5G les dades naveguen encara a més velocitat i creix amb força el fenomen de la internet de les coses en què les dades ja ho comencen a impregnar tot, com en els camps dels transports i l'automoció o els aparells domèstics, però també per a la medecina, la indústria o en matèria de seguretat.

L’auge d’aquestes tecnologies té un fort impacte en els nostres models de vida, però també per al planeta. Mentre el món encara ara el difícil repte de la lluita contra l’emergència climàtica, les tecnologies de la informació i la comunicació poden encarrilar perillosament un creixement exorbitant del consum energètic. Darrere d’aquest consum, a més, s’hi amaga una important fracció que va destinada a la refrigeració d’aquestes catedrals de les dades. Els sistemes convencionals de refrigeració comporten irremeiablement l’alliberament de gasos nocius a l’atmosfera, alguns contribuint enormement a l’efecte hivernacle.

Més enllà dels comportaments socials i econòmics que hi ha darrere d’aquest fort augment de la demanda, no hi ha dubte que el sector comença a encarar-la amb esforços ingents per a la innovació dels seus sistemes. Veurem millores graduals i contínues de l’eficiència dels sistemes informàtics i, també, de refrigeració. Paral·lelament, el món busca amb força salts disruptius, com podria significar el de la computació quàntica, que avui encara es troba lluny de la seva aplicabilitat a la gran escala [18]. Salts disruptius que també s’haurien de buscar en els mètodes de refrigeració, un camp que també viu el seu moment d’expansió per una creixent demanda que va més enllà de la computació.

Els paradigmes de la sostenibilitat evolucionen en la mesura que adoptem noves tecnologies i nous hàbits col·lectivament. La petjada ecològica es transforma juntament amb l’impacte ambiental de les nostres noves activitats. Com a societat, fins ara hem identificat amb retard les activitats més perjudicials per al medi ambient i, a més, les reaccions correctives per minorar-ne l'impacte s'estan demorant massa. Per a la nova societat de la informació, ens tocarà ser hàbils i actuar amb rapidesa abans no sigui massa tard i, mentrestant, recórrer tot el camí de les millores cientificotecnològiques que el camp de la supercomputació abraçarà.

Referències

[1] D. Reinsel, J. Gantz i J. Rydning, «The Digitization of the World. From Edge to Core», IDC: White Paper, 2018.
[2] G. Kamiya, «Data Centres and Data Transmission Networks», 2020.
[3] L. Cerulus, «Europe’s 5G plans in limbo after latest salvo against Huawei», Politico, 23 8 2020.
[4] T. Bowler, «Huawei: Why is it being banned from the UK's 5G network?», 14 7 2020.
[5] «Wikileaks», 11 10 2018. [En línia]. Available: https://wikileaks.org/amazon-atlas/.
[6] N. Jones, «How to stop data centres from gobbling up the world's electricity», Nature, vol. 561, núm. 7722, p. 163-167, 2018.
[7] R. Henderson, «Data centre stocks surge as world shelters online», Financial Times, 2 6 2020.
[8] «Digitalisation and Energy», IEA, 2017.
[9] T. Bawden, «Global warming: Data centres to consume three times as much energy in next decade, experts warn», The Independent, 23 1 2016.
[10] J. Glanz, «Power, Pollution and the Internet», The New York Times, 22 9 2012.
[11] N. Sattiraju, «The Secret Cost of Google's Data Centers: Billions of Gallons of Water to Cool Servers», Time, 2 4 2020.
[12] M. Zuckerberg, «Personal post», Facebook, 28 9 2016.
[13] P. Judge, «Google to invest $670m to build a second data center in Hamina, Finland», Data Center Dynamics, 28 5 2019.
[14] N. L. Pedersen, «Iceland is the coolest location for data centers», 2019.
[15] L. Kelion, «Record-sized data centre planned inside Arctic Circle», BBC, 14 8 2017.
[16] «Balanç d'energia i emissions de gasos d'efecte hivernacle».
[17] K. Moskvitch, «The cryptocurrency boom risks crashing Iceland's economy», Wired, 27 6 2018.
[18] F. Wilczek, «A Reality Check on Quantum Computers,» The Wall Street Journal, 29 11 2019.