De coronapandemie deed ons internetgebruik de hoogte ingaan. We surften op het internet, deden videocalls, streamden films en speelden online games. Op zaterdag 21 maart, het eerste weekend van de eerste lockdown, stelde Telenet vast dat we op het vaste internetnetwerk 2,6 terabytes per seconde downloadden. Daarmee was een nieuw record gevestigd, en het lag meteen 30 procent hoger dan het vorige. 

Al die diensten opereren via datacenters: grote loodsen vol met servers waarop allerhande online applicaties draaien. Die fysieke laag van het internet verbruikt enorm veel energie. Hoeveel precies is niet helemaal duidelijk – schattingen lopen erg uit elkaar. Een recente studie gepubliceerd in het tijdschrift Science stelt dat datacenters 1 procent van de globale vraag naar elektriciteit opnemen. Een onderzoeker werkzaam bij telecombedrijf Huawei vond dan weer dat IT een even grote voetafdruk heeft als de luchtvaartindustrie, en dat het tegen 2030 liefst 20 procent van ons elektriciteitsverbruik zou opnemen.

De bedrijven die deze datacenters uitbaten, voeren een race tegen de klok om hun locaties energie-efficiënt te maken. Microsoft testte recent nog een onderzees datacenter voor de kust van de Schotse Orkney-eilanden, en ook in België vinden experimenten plaats. 

Verreweg het grootste datacenter van België vinden we in Wallonië. In het Henegouwse Saint-Ghislain bezit Google een complex dat zich over 100 hectare uitstrekt. ‘Bijna al onze applicaties draaien we van hieruit,’ stelt site operations manager Frederic Descamps, ‘van Google Streetview en Maps tot YouTube en uiteraard de zoekmachine zelf.’ 

Veel energie die het Google-datacenter in Saint-Ghislain verbruikt, gaat naar de koeling van de servers. Die warmen op, en hun temperatuur moet onder controle blijven. ‘Maar we hebben het geluk dat we hier een mild klimaat hebben’, stelt Descamps. ‘We kunnen de servers koelen met waterverdamping. Dat doen we door water langs te servers te laten lopen. Het water neemt de warmte op en gaat naar een koeltoren, waar het in de lucht gesproeid wordt. Het afgekoelde water stroomt naar beneden in de toren, zodat het opnieuw langs de servers kan gaan.’ 

Die methode blijkt efficiënter dan de luchtkoeling die datacenters gewoonlijk hanteren, vergelijkbaar met een airconditioningsysteem. De efficiëntie wordt gemeten met de zogeheten PUE-ratio, kort voor Power Usage Effectiveness. Dat is de verhouding tussen de totale energieconsumptie van een datacenter en de energie die nodig is om de servers aan te drijven. ‘Die verhouding moet zo laag mogelijk blijven’, zegt Descamps. ‘Je wil zo weinig mogelijk energie verbruiken bovenop wat specifiek nodig is voor de servers.’ 

In Saint-Ghislain haalt Google volgens Descamps een jaarlijks PUE-gemiddelde van 1,08. Als het datacenter dan bijvoorbeeld 100 megawattuur zou verbruiken om servers aan te drijven, dan zou het nog eens 8 megawattuur verbruiken voor zaken als koeling. Dat cijfer wijst op een vrij goede efficiëntie: marktonderzoeksbedrijf Uptime Institute vond dat de gemiddelde PUE dit jaar wereldwijd 1,58 was. Heel wat van die datacenters zijn weliswaar kleiner en investeren minder in energie-efficiënte. 

In Saint-Ghislain experimenteren ze nog met andere manieren om hun servers milieuvriendelijker te maken. Het verswaterverbruik wordt gereduceerd door water uit een kanaal te halen. De site is uitgerust met zonnepanelen. Nieuwe servers die hogere temperaturen aankunnen en dus minder koeling nodig hebben, zijn in aanbouw. 

Het uit de kluiten gewassen datacenter in Saint-Ghislain behoort tot de zogenoemde hyperscale-datacenters. ‘Doorgaans gaat het daarbij om servercomplexen die meer dan 50 megawatt aan vermogen gebruiken’, zegt Marc Decorte van datacenterbouwer Kevlinx. ‘Ter vergelijking: de meeste commercieel beschikbare datacenters in België bieden minder dan 10 megawatt aan capaciteit.’ 

In Brussel werkt Kevlinx, in opdracht van het Britse telecombedrijf COLT, aan de uitbouw van een nieuwe hyperscale-locatie. ‘Het nieuwe datacenter dat we daar neerzetten zal naar schatting een vermogen hebben van 68 megawatt’, aldus Decorte. Dat is een stevige hoeveelheid energie. In de Verenigde Staten voorzie je met 1 megawatt vermogen in de energienoden van vier tot negenhonderd huishoudens. Omgerekend komt 68 megawatt neer op het vermogen van minstens 27.000 huishoudens. 

Toch zijn zulke hyperscale-centers veelal goede evoluties. Grote datacenters vervangen kleinere varianten of serverkamers bij bedrijven zelf. Die grotere locaties zijn veelal efficiënter en investeren meer in koeling en nieuwere servers. Het absolute verbruik op één locatie stijgt, maar het relatief grotere verbruik in de kleine, minder efficiënte locaties valt weg. 

Kevlinx mikt nu op een PUE van minder dan 1,2 voor de site in Brussel. Dat is minder efficiënt dan wat Google claimt te halen, maar het is nog steeds beter dan het industriegemiddelde. Dat komt onder meer doordat het bedrijf buitenlucht gebruikt voor zijn luchtkoeling en doordat het alles veel meer dan gewoonlijk in detail monitort. 

Bovendien onderzoekt Kevlinx hoe het met de restwarmte omliggende kantoren kan verwarmen. ‘We zijn ook aan het kijken om warme lucht te voorzien voor lichte industriële eenheden. Zo moeten ze geen fossiele brandstoffen meer gebruiken’, stelt Decorte. 

Energie-efficiënte draait om meer dan enkel koeling, het gaat ook over hoe efficiënt de servers zelf zijn en de toepassingen die erop draaien. Sinds een aantal jaren steunen veel van die toepassingen op artificiële intelligentie. YouTube gebruikt AI-modellen om onze kijkgeschiedenis te analyseren en ons op basis daarvan nieuwe video’s aan te raden. En in Google Translate of DeepL is het AI die de vertalingen nauwkeuriger maakt. 

Die modellen vergen veel rekenwerk van computers. Dat belast de servers, wat op zijn beurt energie verbruikt. Onderzoekers van de University of Massachusetts in Amherst berekenden in 2019 dat bij het trainen van een welbepaald AI-model meer koolstofdioxide wordt uitgestoten dan vijf auto’s over hun hele levenscyclus – inclusief constructie. 

Doorgaans wordt een AI-systeem getraind door het grote hoeveelheden data voor te schotelen. Het ontdekt dan autonoom patronen en leert op basis daarvan acties te ondernemen. ‘Een AI-systeem in een zelfrijdende wagen krijgt bijvoorbeeld erg veel videobeelden voorgeschoteld waarop voetgangers al aangeduid staan’, zegt AI-expert Mieke De Ketelaere (imec). ‘Het systeem leert hen te herkennen op nieuwe beelden en te ontwijken eens de wagen op de baan gaat.’ 

‘Voor een nieuwe trainingsmethode halen we inspiratie uit de natuur’, zegt De Ketelaere. ‘Onze hersenen laten de neuronen die we niet gebruiken stilaan afsterven. 

Dat doen we ook met AI: als bepaalde berekeningen niet belangrijk zijn voor het eindresultaat tijdens het trainingsproces, dan verwijderen we ze. Een proces dat network pruning heet.’ 

Hoeveel energie daarmee precies bespaard wordt, hangt af van het AI-model en van de hardware die tijdens het trainingsproces gebruikt wordt. Een onderzoeker vond in een test wel dat het geteste AI-model door network pruning vier keer minder geheugenruimte innam, en dat berekeningen drie keer sneller verliepen. 

Er zijn nog andere vlakken waarop datacenters energie kunnen besparen. Het Nederlandse Effect Photonics maakt een andere schakel efficiënter: de verbinding tussen het datacenter en het internet. Data worden heen en weer gestuurd via glasvezelkabels; ze ‘reizen’ door die kabels in de vorm van optische signalen. Maar een datacenter zelf werkt enkel via elektrische signalen. 

‘Wij ontwerpen de onderdelen die de elektrische data omzetten naar optische pulsen’, zegt Boudewijn Docter, president van Effect Photonics. Het bedrijf gaat daarbij energie-efficiënter te werk dan vroeger. ‘Bij voorgaande systemen had je veel losse onderdelen, wij plaatsen alles op één chip. Zo presteert de overgang beter.’ 

Dat betekent dat je meer bits per seconde door de glasvezelkabel kunt sturen. En het zorgt voor minder energieverbruik. Docter: ‘Er zijn namelijk minder verliezen. Waar je vroeger bijvoorbeeld 10 gigabits per seconde door een glasvezelkabel kon versturen, kun je nu 100 gigabits per seconde versturen. Als je daarbij niet méér energie verbruikt, vermindert je totale verbruik met een factor 10 per bit.’ 

Ondertussen duiken ook nieuwe trends op. Zo helpt artificiële intelligentie de koeling erg precies af te stellen op de temperaturen in een datacenter. ‘We gebruiken dat nu al op onze systemen’, stelt Descamps. ‘Dat kunnen we ook manueel, maar het team kan niet overal tegelijk zijn. Daarom verwerken we het nu in een AI-systeem.’ 

Die methode wordt al langer gebruikt in de Verenigde Staten. In 2016 kondigde Google aan dat zijn AI-systemen koelingskosten met 40 procent konden reduceren. Twee jaar later voegde het bedrijf de daad bij het woord. Sindsdien maken een aantal datacentra van Google al volop gebruik van de AI-systemen. 

Een datacenter moet klanten kunnen garanderen dat het altijd online blijft, zelfs tijdens een lokale stroompanne. Voor de zekerheid staan daarom (milieubelastende) dieselgeneratoren standby. Die generatoren zijn bedrijven nu aan het vervangen door brandstofcellen met waterstof. Microsoft voerde daar dit jaar al tests mee uit. In de toekomst dompelen we misschien computeronderdelen of zelfs hele servers onder in vloeistoffen. ‘Vloeistof kan warmte beter geleiden’, stelt Marc Decorte. ‘Dat zorgt ervoor dat minder warmte verloren gaat vergeleken met luchtkoeling of waterkoeling. De technologie zit er in de nabije toekomst aan te komen.’ 

Technologische innovaties kunnen het verder toenemende energieverbruik doen afremmen. Dat zagen we in de voorbije decennia al gebeuren: ons dataverbruik steeg exponentieel, terwijl het bijbehorende energieverbruik in veel mindere mate mee evolueerde. Als slimme investeringen blijven volgen, zo stelt het International Energy Agency, kan het energieverbruik van datacenters vlak blijven tot 2022, ondanks de scherpe stijgingen in het internetgebruik de voorbije maanden. 

Niettemin zullen we moeten leren leven met het feit dat het internet nu eenmaal veel energie verbruikt. ‘Datacenters worden groter’, zegt Ronnie Belmans (EnergyVille, KU Leuven). ‘Wellicht zal dat van Google in Saint-Ghislain in de nabije toekomst meer energie verbruiken dan de volledige Antwerpse site van het chemiebedrijf BASF. Dat een datacenter meer verbruikt dan de grootste chemische firma van ons land is een mijlpaal.’ 

Volgens Belmans kunnen technische ingrepen het een en ander verzachten. Maar de evolutie zal zich hoe dan ook doorzetten. En we zullen die datacenters nog hard nodig hebben, weet ook Belmans. ‘Ons elektriciteitsnet is aan het decentraliseren. ‘Toen ik afstudeerde hadden we in België dertig energiecentrales. Binnenkort zullen honderdduizenden kleine energie-installaties op het net zijn aangesloten. De zonnepanelen op jouw dak zullen energie leveren aan je buren. Dat geheel kunnen we enkel coördineren met een sterk uitgebouwde IT-infrastructuur. Daarvoor hebben we hoe dan ook datacenters nodig.’