Jede gesendete E-Mail, jedes aufgenommene Foto oder Video, jeder gehandelte Krypto-Token und jeder veröffentlichte Online-Artikel trägt zur wachsenden Masse digitaler Daten weltweit bei.
Allein im letzten Jahr wurden nach Angaben des Marktforschers International Data Group fast 100 Billionen Gigabyte an Daten erstellt und verbraucht, was dem 4,5 Billionen-fachen des gesamten Textinhalts von Wikipedia entspricht. Und bis 2025 wird sich die Zahl noch einmal fast verdoppeln.
Treiber dieses Wachstums sind die energieintensiven Rechenzentren auf der ganzen Welt, die digitale Informationen verarbeiten, hosten und speichern, deren Kapazität jedoch schnell unzureichend wird.
Entwickler bemühen sich darum, bestehende Zentren zu erweitern oder neue zu bauen, um der Nachfrage gerecht zu werden. Immer mehr Menschen und Geräte verbinden sich online; Streaming-Dienste wie Netflix und Spotify haben Millionen gleichzeitiger Nutzer; und das Aufkommen von Kryptowährungen und deren verarbeitungsintensiven Mining-Methoden haben die Belastung noch verstärkt. Nach Schätzungen des Cambridge Centre for Alternative Finance verbrauchten Bitcoin-Mining und -Handel im vergangenen Jahr fast das Dreifache des Stroms der gesamten irischen Insel.
Unsere Abhängigkeit von Rechenzentren für das Funktionieren des modernen Lebens wird sich nur noch verstärken. In den kommenden Jahren „werden zwei der größeren Treiber KI und das Internet der Dinge sein“, sagt Petroc Taylor, ein Forschungsanalyst für Statista, der sich mit Rechenzentren und Telekommunikation befasst. „Diese KI-Algorithmen benötigen riesige Mengen an Trainingsdaten, da sie immer komplexer werden [will] Es müssen mehr Daten eingefiltert werden.“
Große Sprachmodelle wie GPT-4, das ChatGPT antreibt, erfordern zur Erstellung und Verbesserung enorme Mengen an Rechenleistung. Während OpenAI, das Unternehmen hinter ChatGPT, keine genauen Zahlen veröffentlicht, wird geschätzt, dass das Training seines älteren Modells, GPT-3, zwischen 3,2 und 4,6 Millionen US-Dollar an Rechenleistung gekostet hat. Für die Ausbildung von GPT-4, diese Kosten waren auf über 100 Millionen US-Dollar gestiegennach einer Schätzung von Sam Altman, CEO von OpenAI.
Um die drohende Rechenzentrumskrise zu lösen, reicht es nicht aus, einfach neue Betriebsabläufe aufzubauen oder bestehende zu erweitern. Entwickler müssen Hürden überwinden, darunter lokale Planungsbeschränkungen, die Notwendigkeit einer erhöhten Stromerzeugung und Modernisierungen nationaler Übertragungssysteme.
In den Regionen, in denen sich Cluster von Rechenzentren befinden, schränken diese Einschränkungen die Entwicklung neuer Zentren ein und zwingen Entwickler möglicherweise dazu, sich woanders umzusehen.
Die Menge an Strom, die Rechenzentren verschlingen, hat auch Fragen zu ihrer Nachhaltigkeit aufgeworfen – und zu den Auswirkungen, die sie auf die Netto-Null-Ziele der Länder haben.
„Physisch ist es durchaus möglich, diesem Nachfragewachstum gerecht zu werden, den CO2-Ausstoß zu reduzieren und über eine ausreichende Erzeugung zu verfügen“, sagt Mark Turner, Partner beim Energieberatungsunternehmen Baringa. „Aber all diese Dinge unter einen Hut zu bringen, wird besonders schwierig.“
Anatomie eines Rechenzentrums
Ein Personalcomputer enthält eine Festplatte zum Speichern von Daten, einen Prozessor, der diese Daten ändern kann, Netzwerkhardware für die Verbindung mit dem Internet und eine Batterie oder ein Netzteil, um die Energie für alles bereitzustellen. Während der Strom durch die Hardware Ihres Laptops fließt, erzeugt er Wärme, die von einem Lüfter gekühlt wird.
Rechenzentren übernehmen diese Kernkonzepte eines Standardcomputers und skalieren sie auf ein enormes Niveau. Anstelle einer Festplatte auf Ihrem Computer zum Speichern von Fotos und Heimvideos enthält ein Rechenzentrum mehrere tausend Festplatten und leistungsstarke Prozessoren in „Servern“, die riesige Datenmengen speichern, verarbeiten und hosten, beispielsweise den gesamten Videokatalog von Youtube.
Riesige Serveranordnungen sind in Reihen energieintensiver „Racks“ untergebracht, die unglaubliche Mengen an Wärme erzeugen. Zur Regulierung dieser Wärme sind spezielle Kühlsysteme erforderlich. In einem Rechenzentrum muss eine Temperatur zwischen 18 und 27 Grad Celsius herrschen, um eine Verschlechterung der Hardware zu verhindern.
Rechenzentren haben unterschiedliche Eigentümerstrukturen. Organisationen können ihre eigenen Rechenzentren für ihre spezifischen Anforderungen aufbauen und betreiben, was für sicherheitsrelevante Regierungs- oder Militäroperationen von Vorteil sein kann. Am anderen Ende der Skala kann Serverraum für kurze Zeit von Unternehmen gemietet werden, die Rechenzentren besitzen und betreiben, die als „Cloud-Anbieter“ bekannt sind, wie etwa Amazon Web Services oder Google Cloud. Unabhängig davon, wie sie arbeiten, benötigen alle Rechenzentren eine große Versorgung mit zuverlässigem Strom, um ihre Hardware und Kühlsysteme mit Strom zu versorgen.
Während sich die Energieeffizienz von Rechenzentren im letzten Jahrzehnt erheblich verbessert hat, hat der ständig wachsende Datenbedarf zu einem Anstieg des Gesamtstromverbrauchs geführt.
Die Energieeffizienz eines Rechenzentrums wird auf einer Skala der Power Usage Effectiveness (PUE) gemessen, die sich aus der Gesamtleistung ergibt, die in ein Rechenzentrum gelangt, geteilt durch die Gesamtenergie, die für den Betrieb der darin befindlichen Geräte verbraucht wird. Eine perfekte Effizienz würde also einen PUE-Wert von 1 erhalten.
Bis 2018 erzielten Rechenzentren durch Konsolidierung und Verbesserungen der Kühlsysteme große Fortschritte bei der Energieeffizienz. Diese Effizienzgewinne haben jedoch ein Plateau erreicht.
Wenn Glasfaserrouten zusammenlaufen
Aufgrund von Faktoren wie Geografie, Klima und Zugang zu qualifizierten Arbeitskräften sind Rechenzentren in der Regel geografisch gruppiert. Zu den großen Drehkreuzen gehören Dublin, Amsterdam, Zürich und Virginia.
Structure Research, ein Beratungsunternehmen mit Schwerpunkt auf Internet-Infrastruktur, schätzt, dass Rechenzentren im vergangenen Jahr Strom verbrauchten, der etwa 1 Prozent des gesamten weltweiten Energiebedarfs entsprach. Aufgrund der Häufung ist der Strombedarf jedoch nicht gleichmäßig auf der Welt verteilt.
Die aktivsten Hubs verfügen über „Verbindungen zu den Glasfaser-Backbones, die über verschiedene Kontinente verlaufen“, sagt Turner, der auch die Besonderheiten des irischen Rechenzentrumsmarktes untersucht hat. „Da haben Orte wie Amsterdam und Dublin wirklich die Nase vorn, weil dort viele Glasfaserrouten an einem Ort zusammenlaufen.“
Es gibt 82 Rechenzentren sind in der Republik in Betrieb Irland zum Beispiel, wobei die meisten im Großraum Dublin liegen. Weitere 40 haben eine Baugenehmigung und 12 befinden sich im Bau, so Bit Power, ein irisches Marktforschungsunternehmen.
Diese Zentren verbrauchten im Jahr 2022 19 Prozent des gesamten Energieverbrauchs Irlands. Laut Eirgrid, dem irischen Übertragungsnetzbetreiber, soll dieser Anteil bis 2031 auf 28 Prozent steigen. Aufgrund von Bedenken hinsichtlich der Kapazität seines Netzes hat Eirgrid bis 2028 die Vergabe neuer Netzanschlüsse an Rechenzentren im Raum Dublin eingestellt.
„Es besteht definitiv der Wunsch, das Netzwerk rund um Dublin zu stärken“, sagt Turner. „Es ist jedoch sehr schwierig, das zu tun. . . Insbesondere geht es darum, die richtige Baugenehmigung zu erhalten, und im Allgemeinen ist es sehr schwierig, die Planung für neue Leitungen zu bekommen, insbesondere in bebauten Gebieten.“
Die Probleme bei der Stromversorgung und -übertragung sind nicht auf Irland beschränkt. Laut Structure Research verfügt der US-Bundesstaat Virginia über einen der größten Rechenzentrumscluster in den USA – 27 Prozent der gesamten US-Rechenzentrumskapazität. Seine 300 Zentren verbrauchen 20 Prozent des gesamten Strombedarfs des Staates.
Technologieunternehmen sind besorgt über die Auswirkungen dieser Nachfrage auf die Umwelt und planen und investieren in nachhaltigere Cloud-Dienste. Sundar Pichai, CEO von Google, kündigte im Jahr 2020 eine „Verpflichtung an, bis 2030 in allen unseren Rechenzentren und Campusgeländen weltweit rund um die Uhr kohlenstofffreie Energie zu betreiben“.
Das Unternehmen plant, in den von ihm betriebenen Märkten rund um die Uhr saubere Energie einzukaufen und investiert außerdem in erneuerbare Energien. Andere Rechenzentrumsbetreiber haben ähnliche Zusagen gemacht, ihre Netze zu dekarbonisieren.
Rechenzentren entwickeln sich zu wichtigen Akteuren auf dem Stromgroßhandelsmarkt und können die Richtung von Investitionen in die Stromerzeugung beeinflussen.
Im April schloss Google eine direkte Stromabnahmevereinbarung zum Kauf von 150 Megawatt Windenergie von Ørsted, einem dänischen Energieunternehmen, das Windparks in den USA betreibt.
Solche von Rechenzentrumsbetreibern abgeschlossenen Stromverträge können dazu beitragen, die Finanzierung des Baus sicherzustellen, indem sie den Anbietern sauberer Energie über mehrere Jahre hinweg eine feste Einnahmequelle garantieren. Ein Energieinsider sagt der Financial Times, dass „Stromabnahmeverträge einer der Schlüsselfaktoren sind, die darüber entscheiden, ob ein Windpark gebaut wird oder nicht“.
Laut Turner deutet dies darauf hin, dass neben der Erweiterung bestehender Zentren auch neue Hubs eine Rolle bei der Deckung der künftigen Nachfrage spielen könnten.
„Die offensichtlichsten und rundum guten Standorte dürften diejenigen sein, die bereits erschlossen sind“, sagt er. „In der Bewertungsliste der Faktoren rund um den Standort Ihres Rechenzentrums, die Verfügbarkeit von ausreichend Spielraum und Kapazität im Netz sowie die Verfügbarkeit von kohlenstoffarmer Energie, idealerweise zu einem niedrigen Preis – [the latter] wird immer kritischer. Dies könnte Betreiber dazu veranlassen, sich woanders umzusehen.“