Antrieb der Motoren des Internets – Google-Rechenzentren nutzen maschinelles Lernen und kostengünstige Kühlung, um die Energieeffizienz zu maximieren

TL; DR: Die Beantwortung von 1,2 Billionen gesuchten Fragen pro Jahr und die Stromversorgung von Milliarden von Google Mail-Posteingängen ist teuer. Die Suchmaschine Nr. 1 im Internet zu betreiben, ist ein teures, energiesparendes Spiel, an dem man nicht vorbei kommt, oder? Google sagt etwas anderes. Nach 10 Jahren Engagement für die technische Effizienz seiner Rechenzentren erhält Google jetzt das 3,5-fache der Rechenleistung aus der gleichen Menge an Energie, die vor fünf Jahren verbraucht wurde. Sie haben sich verpflichtet, eine 100% ige Umleitung aller von ihren Anlagen produzierten Abfälle auf Deponien zu erreichen, und sechs ihrer 14 Standorte haben bereits ins Schwarze getroffen. Indem Google sich darauf konzentriert, wie ihre Rechenzentren funktionieren, wie sie ihre Server kühlen und wie sie Hardware wiederverwenden können, spart Google Millionen von Dollar und schont unsere Umwelt – und hilft dabei, der Vorstellung ein Ende zu setzen, dass es zu viel Grün kostet, um grün zu werden.


Wir können jederzeit in unserem Online-Suchverlauf nach Schnappschüssen unseres Lebens suchen, die in unserem Browser aufgezeichnet wurden. Die jüngsten Anfragen variieren stark von “Greys Anatomy-Saisonauftakt” bis zu “Mehr MacBook Air-Speicher kaufen” oder “Google Mail-Login” – unsere Online-Suchanfragen sagen viel über uns aus. Für viele führen sie zu der unauffälligen Erkenntnis, dass wir Google für alles verwenden.

Google ist zweifellos die beliebteste Suchmaschine im Internet und hält einen Anteil von 64% an dem, was einige als Marktanteilskrieg für Suchmaschinen bezeichnet haben – dreimal so viel wie der engste Konkurrent. Google ist in unserem täglichen Leben so präsent, dass wir es zu einem Verb gemacht haben, da wir uns täglich auf den amorphen Influencer beziehen.

In Wirklichkeit ist Google nicht nur eine allwissende Informationsquelle, die nicht erklärt werden kann. Die Engine, auf der jedes Jahr 1,2 Billionen Anfragen ausgeführt werden, wird von einem riesigen Servernetzwerk unterstützt, das solide jährliche Betriebskosten von 11 Milliarden US-Dollar erfordert. Huch.

So überwältigend diese Zahlen auch sind, Google nimmt die Kosten und die Nachfrage in Kauf und fordert sich als Unternehmen heraus, weiter zu skalieren, die Latenz niedrig zu halten und die Auswirkungen auf die Umwelt zu minimieren. Das Ergebnis: Dies spart ihnen Materialkosten in Millionenhöhe.

10 Jahre Entwicklung ergeben Rechenzentren, die Effizienz verkörpern

Während die Generation Z möglicherweise keine Zeit ohne Google kennt, wurde das Unternehmen Ende der 90er Jahre gegründet und arbeitet seitdem in der Suchmaschine. In den letzten 10 Jahren wurde besonderes Augenmerk auf die Entwicklung umweltfreundlicher Lösungen gelegt, die den Rechenzentren Effizienz verleihen.

Maschinelles Lernen verbraucht mehr Leistung und benötigt 40% weniger Energie zum Kühlen

Eine große Herausforderung für jeden Rechenzentrumsbesitzer besteht darin, die Server so kühl zu halten, dass sie ausgeführt werden können. In der Regel werden dazu Pumpen, Kältemaschinen und Kühltürme verwendet – eine enorme mühsame Optimierung der Energieeffizienz. Die Hardware, ihre physische Umgebung und die Menschen, die sie bedienen, haben eine komplexe Beziehung, und das System kann mit Änderungen nicht so einfach Schritt halten. Darüber hinaus ist jedes einzelne Rechenzentrum einzigartig und hat seine eigenen Komplikationen, um grün zu bleiben.

Collage von Google-Rechenzentren und Mitarbeitern, die daran arbeiten

Die Ingenieure von Google und DeepMind haben sich zusammengetan, um ein adaptives Framework zur Optimierung der Effizienz von Rechenzentren zu entwickeln.

Es ist unnötig zu erwähnen, dass die Raffinesse der Google-Rechenzentren Fortschritte bei der Energieeffizienz zu einer teuren und langsamen Tortur macht. Dies ist ein Teil dessen, was eine der jüngsten Ankündigungen des Unternehmens zu diesem Thema so bemerkenswert macht.

Im Juli 2016 gab Google bekannt, dass sie nach zweijähriger Anwendung des maschinellen Lernens auf ihre Rechenzentrumsbetriebe den Energieverbrauch für die Kühlung ihrer Rechenzentren um 40% senken konnten.

In den letzten Monaten hat Google DeepMind-Forscher um Unterstützung beim Aufbau eines „effizienteren und anpassungsfähigeren Frameworks zum Verständnis der Dynamik von Rechenzentren und zur Optimierung der Effizienz“ gebeten, so der Beitrag von DeepMind Research Engineer Rich Evans und Google Data Center Engineer Jim Gao.

Die zusammenarbeitenden Teams haben historische Daten (Temperatur, Leistung, Pumpendrehzahl usw.) aus Tausenden von Sensoren zusammengestellt, die über die Rechenzentren verteilt sind, und die Erkenntnisse genutzt, um „ein Ensemble tiefer neuronaler Netze zu trainieren“. Sie lehrten diese neuronalen Netze die durchschnittliche zukünftige Stromverbrauchseffektivität (PUE) oder das Verhältnis zwischen der in der Anlage verbrauchten Gesamtenergie und der für die Berechnung verwendeten Energie. Anschließend wurden zwei zusätzliche Gruppen von Netzwerken trainiert, um bevorstehende Änderungen von Temperatur und Druck in der folgenden Stunde vorherzusagen. Dies trug dazu bei, dass die betrieblichen Einschränkungen nicht überschritten wurden.

Ihr Modell wurde live im Rechenzentrum von Google bereitgestellt und führte zu einer Reduzierung des PUE-Overheads um 15%, nachdem elektrische Verluste und andere Ineffizienzen bei der Kühlung berücksichtigt wurden. Dies ist der niedrigste PUE, der vor Ort aufgezeichnet wurde, und Jim und Rich gaben an, dass sie planen, “dieses System breiter einzuführen” und die Besonderheiten ihrer Methodik zu teilen, damit andere Betreiber (und die Umwelt) von diesem Fortschritt profitieren können.

Eigene Server stellen sicher, dass die Stromversorgung nur für Computerkomponenten bestimmt ist

Um ein energieeffizientes Rechenzentrum zu haben, können Sie die Server selbst nicht ignorieren. Google entwickelt sie so, dass sie so wenig Energie wie möglich verbrauchen, insbesondere wenn sie auf ihre nächste Aufgabe warten. Sie müssen sehr leistungsfähig sein und ständig laufen, daher wird besonderes Augenmerk auf die Minimierung des Leistungsverlusts gelegt.

Laut Google werden herkömmliche Server häufig mit minimalen Startkosten und niedrigeren Effizienzstandards gebaut, was jedoch auf lange Sicht häufig zu höheren Energiekosten führt. „Ein typischer Server verschwendet bis zu einem Drittel der Energie, die er verbraucht, bevor diese Energie die Teile erreicht, die die eigentliche Datenverarbeitung durchführen“, heißt es auf der Website.

Stattdessen verwendet Google bestimmte Reglermodule, um den Stromfluss nur zu den Computerkomponenten der Einrichtung aufrechtzuerhalten. Durch das Einlegen von Pufferbatterien in ihre Racks wurden zwei Stromversorgungsstufen eliminiert, in denen Wechselspannungen in Gleichspannungen umgewandelt werden (ein häufiger Grund für Effizienzverluste). Was die Hardware selbst betrifft, haben sie alle Teile entfernt, die als “unnötig” eingestuft wurden, wie Peripherie-Anschlüsse oder Grafikkarten, und dafür gesorgt, dass sich ihre Lüfter “gerade genug drehen, um (ihre) Maschinen kühl genug zu halten, um zu laufen”.

Für eine effizientere Kühlung werden verschiedene Formen von recyceltem Wasser verwendet

So kontraintuitiv es auch sein mag, Wasser spielt eine wichtige Rolle bei der Ausführung von Computern im Rechenzentrumsmaßstab. Die Milliarden Kilowattstunden Strom, die durch Rechenzentren gepumpt werden, um die Server mit Strom zu versorgen, erzeugen eine enorme Wärmemenge. Wasser kann als energieeffiziente Kühlquelle verwendet werden.

Bei den Rechenzentren von Google ziehen die Fans heiße Luft hinter den Servern hervor und schieben sie durch wassergekühlte Spulen in die Hot Huts von Google, temporäre Häuser, in denen sich die heiße Luft entspannen kann (entschuldigen Sie mein Wortspiel). Nach dem Abkühlen wird die Luft in den Hauptbereich der Rechenzentrumsanlage zurückgeführt. Ein ähnlicher Prozess wird in den Kühltürmen von Google verwendet, die den Verdunstungsprozess beschleunigen, da Ventilatoren den Wasserdampf anheben, dabei abkühlen und das Wasser wieder in die Hauptanlage zurückführen.

Google-Mitarbeiter überprüfen Wasserleitungen neben Google Hot Hut

Google verwendet Meerwasser, Regenwasser und recyceltes Abwasser, um die 14 Rechenzentrumsanlagen abzukühlen.

Im Interesse der Nachhaltigkeit ist es wichtig zu beachten, dass Wasser keine unendliche Ressource ist. Google schlug diese einfache Lösung vor: “Anstatt Trinkwasser (oder Trinkwasser) zum Kühlen zu verwenden, verwenden wir nicht trinkbare Wasserquellen und reinigen es gerade so weit, dass wir es zum Kühlen verwenden können.”

Eines ihrer Rechenzentren wird mit Regenwasser betrieben – im nicht temperaturabhängigen Sinne sehr kühl – und andere werden mit recyceltem Wasser aus verschiedenen Quellen betrieben, darunter aufbereitetes städtisches Abwasser und Wasser aus einem Industriekanal.

Googles Ziel: Null Abfall auf Deponien

Fast die Hälfte der Google-Rechenzentren hat “Null Abfall auf Deponien” erreicht – und sie haben sich verpflichtet, dieses Ziel in allen 14 Rechenzentren zu erreichen. Sechs runter, noch acht! Laut diesem Artikel werden bisher 86% der Abfälle von Mülldeponien in allen Rechenzentrumsbetrieben von Google umgeleitet.

Wie sie die Effizienz messen

PUE ist die branchenweite Metrik für die Effizienzmessung im Rechenzentrum. Google überprüft alle Einrichtungen des Rechenzentrums und berechnet die Leistung während des gesamten Jahres (anstatt nur die Effizienz der neuesten Einrichtungen in den Herbst- oder Wintermonaten zu verfolgen)..

Viele Einrichtungen, die nicht von Google stammen, verbrauchen so viel Energie wie der Strom, um ihre Server mit Strom zu versorgen. Google hat den Overhead auf 12% reduziert, sodass ein Großteil des Energieverbrauchs direkt für die Bereitstellung von Antworten auf Google-Suchanfragen und die Stromversorgung von Google-Produkten verwendet wird.

Screenshot der Google-Formel zur Berechnung des PUE

Für hochpräzise PUE-Berechnungen betrachtet Google nur Server, Speicher und Netzwerkgeräte als IT-Leistung.

Eine vollständige Diskussion darüber, wie Google die Effizienz seiner Server misst, finden Sie hier.

Wie sie es machen

Die wichtigsten Fortschritte von Google bei der Entwicklung der Energieeffizienz werden auf viele Variablen zurückgeführt: recycelte Hardware, effiziente Kühlmethoden und gezielte Forschung, um nur einige zu nennen. Während wir uns mit der Forschung zur Wasserkühlung befasst haben, halte ich die Hardware-Nutzung selbst für besonders bemerkenswert.

Diese Maschinen versorgen meine sechs Google Mail-Konten und Milliarden anderer mit Strom. Sie streamen unzählige Stunden YouTube-Videos und helfen bei der Beantwortung von Billionen unerklärlicher Fragen des Lebens. Dies erfordert ständige Maschinen-Upgrades und -Verwaltung.

“Von dem Moment an, in dem wir uns für den Kauf eines Geräts entscheiden, bis zu dem Moment, in dem wir es in den Ruhestand versetzen, reduzieren, wiederverwenden und recyceln wir so viel wie möglich”, so Google. Auch leicht vergessene Details wie der Versand des Inventars an das Rechenzentrum werden berücksichtigt. „Wann immer möglich, verwenden wir lokale Anbieter für schwerere Komponenten wie unsere Server-Racks“, erklärte das Team. „Durch die Begrenzung der Versandentfernung reduzieren wir die Umweltbelastung durch den Transport.“

Über die Hälfte der Teile, die für Maschinen-Upgrades verwendet wurden, wurden 2015 renoviert, und der kleine Prozentsatz der Hardware, die aus irgendeinem Grund nicht wiederverwendet oder weiterverkauft werden kann, wird stattdessen recycelt. Seit 2007 hat Google den Kauf von mehr als 300.000 Ersatzservern durch die Wiederaufarbeitung und Wiederverwendung alter Server vermieden.

Die bisherigen Ergebnisse sind unglaublich

Der Rechenzentrumsstandort von Google in Mayes County, Oklahoma, war der erste von sechs Standorten, der den Status “Keine Mülldeponie” erreichte. “Im Vergleich zu vor fünf Jahren erhalten wir jetzt bei gleicher Energiemenge etwa das 3,5-fache der Rechenleistung”, sagte Amy Atlas, Global Communications and Sustainability Rep bei Google. Wir fassen einige der bemerkenswertesten Siege unten zusammen:

  • Reduzierung des Energieverbrauchs ohne Computer um 12%
  • Reduzierung des gesamten PUE-Overheads durch maschinelles Lernen um 15%
  • Schätzungen zufolge werden jährlich mehr als 500 kWh pro Server eingespart (25%).
  • Reduzierung des Energieverbrauchs für IT-Infrastrukturen mit Google Cloud-Produkten um 65-85%
  • Vermeiden Sie den Kauf von mehr als 300.000 neuen Maschinen durch die Überholung alter Maschinen

Diese Punkte veranschaulichen lediglich einen Teil der Umweltauswirkungen, die durch die Effizienzmaßnahmen des Google-Rechenzentrums erzielt werden. Erwarten Sie, dass die Innovation nur von hier aus fortgesetzt wird.

Mit Google Schritt halten – die Branche vorantreiben

Wenn ich an alles denke, wofür ich Google verwende – meine E-Mail, meine Dokumentfreigabe, meine Recherche und meine Unterhaltung -, bin ich überwältigt von der enormen Leistung, die erforderlich wäre, um die Maschinen zu betreiben, auf denen so viele Bereiche meines Lebens laufen. Google ist zweifellos ein weltweit führender Anbieter von Suchmaschinenmarketing und zahlreichen Technologiefeldern, aber Google führt uns auch zu einer besseren, saubereren Welt.

“Obwohl die letzten 10 bis 20 Prozent der Umleitung am schwierigsten zu lösen sind, sehen wir hier auch die größte Chance, kreativ über neue Community-Partnerschaften und die Gestaltung von Abfallströmen zu werden”, sagte Jim Miller, Vice President of Global Operations für Google.

Jeffrey Wilson Administrator
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