Door: Michael van den Assem
Energieverbruik van datacenters wordt een steeds belangrijker issue. De meeste mensen realiseren zich niet dat het grootste gedeelte van het stroomverbruik door onze smartphone, tablet en laptop inmiddels plaatsheeft in ‘the cloud’. Dataopslag is hard op weg een van de belangrijkste vormen van elektriciteitsverbruik te worden.
Bijna het volledige elektrische vermogen dat een datacenter in gaat, komt er uit in de vorm van warmte. Er bestaan vele manieren om een nuttige bestemming te vinden voor deze warmte, maar de werkelijke oplossing voor het energievraagstuk van datacenters ligt natuurlijk in een informatietechnologie die veel minder energie vergt en dus minder warmte produceert en de zoektocht daarnaar is in volle gang.
Alle datacenters in de wereld verbruikten vorig jaar zo’n 416,2 terawattuur (TWh) elektriciteit. Dat is meer elektriciteit dan een land als Groot Brittannië, de vijfde economie in de wereld, verbruikte. Namelijk 300 terawattuur. En zeker meer dan de 120 terawattuur die we in Nederland verbruikten. (‘Tera’ betekent duizend miljard. ‘Heel Nederland’ verbruikt ongeveer veertig miljoen keer uw thuisverbruik van 3.000 kilowattuur per jaar).
Elektrische weerstand
Welkom in de wereld van de grote getallen. Dataopslag in Nederland vergt nu zo’n twee procent van het Nederlandse stroomverbruik (ongeveer 2,5 terawattuur). Dat is twee keer zoveel als het verbruik van de Nederlandse Spoorwegen (1% of 1,2 terawattuur).
De NS verplaatst met stroom mensen van A naar B. Servers in datacenters verplaatsen met stroom elektronen van A naar B en produceren zo informatie. Hoewel onze mobiliteit groeit, zit het gebruik van dataverkeer harder in de lift. De komende tien jaar gaat het energieverbruik van dataverwerking en – opslag wereldwijd verdrievoudigen.
We zijn dus hard op weg naar een situatie waarin dataverkeer en dataopslag misschien wel de grootste economische energieverbruikers zijn. Hoe dat komt, dat zit zo:
Al die nullen en enen die onze data, onze informatie en dus onze kennis representeren, die vertegenwoordigen rekenstappen in processoren waarin elektronen heen en weer bewegen door koper en silicium. En zoals de meesten van ons op school hebben geleerd loopt stroom niet vanzelf en door die elektrische weerstand ontstaat warmte, net zo als wanneer je je handen snel tegen elkaar wrijft of een sliding maakt op een kunstgrasveld. Een processor ter grootte van een vingerkootje die hard aan het werk is, en waarin vele kilometers koperdraad miljarden schakelingen verbindt, wordt zo heet dat je hem niet kunt vastpakken. Al die honderden servers in onze datacenters met miljoenen processoren veroorzaken dus een enorme hoeveelheid warmte. In feite zijn het ‘datakachels’: ongeveer 98% van de stroom die er in gaat, komt naar buiten als warmte.
Dat is ongeveer hetzelfde rendement als de eerste stoomlocomotieven. (De modernste zijn nooit boven een rendement van 10% gekomen.) De stoomtrein en overigens ook het stoomschip, waren niettemin een revolutie zonder weerga die de mobiliteit van de mensheid een geweldige boost gaf. De transportrevolutie in de negentiende eeuw veranderde de wereld voor de mensen van toen even snel en ingrijpend als de informaticarevolutie dat nu voor ons doet.
Fotonica
Maar de technologie stuitte op grenzen die doorbroken werden toen na een kleine eeuw de elektrische trein kwam die veel lichter is en grotere vermogens aankan. Een elektromotor heeft een rendement van zo’n 90%. De siliciumtechnologie, die nu zo’n vijftig jaar oud is, kun je beschouwen als het stoomtijdperk van de informatica: de grenzen zijn in zicht en we hebben een doorbraak nodig. En die komt er aan. Hij heet: fotonica.
Met licht kun je informatie versturen: door glasvezel, zoals we weten. Waar onderzoekers nu aan werken is dat we straks binnen in chips niet meer schakelen met elektronen maar met fotonen, lichtdeeltjes. Dan zijn we verlost van die elektrische weerstand en dus van de enorme hoeveelheid warmte. We hadden de gloeilamp en die zet 5% van de stroom om in licht en de overige 95% in (nutteloze) warmte. Toen werd de LED uitgevonden en nu, na een kleine vijftig jaar geven LED-lampen dezelfde kwaliteit licht als gloeilampen en zij zetten 95% van de stroom om in licht en slechts 5% in warmte. Dat is een revolutie die op tijd komt om de opkomende economieën in Afrika, Latijns-Amerika en Azië van dezelfde kwaliteit 24x7 licht te voorzien als wij gewend zijn, maar dan zuinig en duurzaam.
Voor dataopslag en databewerking moeten we licht echter kunnen stilzetten en dat is nog een behoorlijke uitdaging. De snelheid van licht (300.000 km/s) is niet onveranderlijk. De breking van licht die je ziet als je een ‘geknakt’ penseel in een glas water zet, komt doordat de lichtsnelheid in water lager is. Er zijn materialen, fotonische kristallen, waarin je licht vrijwel stil kunt zetten en dat opent het vooruitzicht om er data mee op te slaan. Stel je voor dat het in de toekomst mogelijk is om net zoals bij de vervanging van de gloeilamp door de LED de efficiency van dataopslag naar 98% te brengen, een factor 50 energiezuiniger.
Doorbraak
Ik vind het werken aan vergroening van datacenters zeer belangrijk, maar het lost het probleem niet op dat de technologie tegen haar grenzen aan loopt. Maar een barrière is in de wereld van de technologie nooit het einde van het verhaal, maar altijd het begin van een nieuwe ontwikkeling. Technologische vooruitgang danken we namelijk aan een energiebron die nooit uitgeput raakt: het menselijk vernuft. Daarbij geldt: hoe meer hersenpannen met beta kennis gevuld wij hebben, des te eerder zal de doorbraak er komen. Daarom is het een slechte zaak dat de vier universiteiten waar je technische studies kunt volgen, wegens overstelpende belangstelling van jongeren nu een numerus fixus willen instellen. Die belangstelling is het gevolg van het feit dat de economische opleving zich het meest doet gelden in bedrijfstakken waar techniek een belangrijke rol speelt. De vraag naar ingenieurs, maar ook technische mbo’ers is groot. Techniek staat aan de basis van vrijwel alle innovatieve ontwikkelingen. Daarom heeft de overheid er jarenlang in allerlei campagnes op gehamerd dat meer scholieren voor een technisch beroep moesten kiezen. Dan moeten we nu dat succes van die campagnes niet afstraffen met een beperking van de instroom naar de technische universiteiten vanwege geldgebrek.
