Potężne centra danych niosą za sobą potężne możliwości, które wykorzystujemy przetwarzając w nich coraz większe ilości danych. Z drugiej strony istnieje również blockchain, który bardzo trafnie określa zasada “In power we trust” i który nie miałby sensu gdyby nie ciągłe zużycie procesora. Wspólnym mianownikiem tych dwóch rzeczy jest ogrom energii potrzebnej, aby móc wykorzystywać proponowane możliwości. Nie raz słyszymy opinie w stylu “Bitcoin/Google zużywa tyle energii co całe państwo”. Warto się zastanowić czy jest tak naprawdę, a jeśli tak to czy zużywanie gigawatogodzin ma w tym przypadku sens i czy istnieje istnieje granica której nie powinniśmy przekroczyć. Temat ten można przeanalizować z dwóch stron: ekologicznej i społecznej. 

Wpływ na środowisko

Dlaczego centra danych oraz Bitcoin konsumują tyle energii?

Zacznijmy od przyjrzenia się dlaczego te dwie rzeczy konsumują duże ilości energii. Sprawa wygląda całkiem prosta dla centrów danych: dużo serwerów, urządzeń sieciowych, klimatyzacja itp. Nawet jeśli jedno urządzenie zużywa niewiele watów to ich suma może być już znacząca.

Sprawa jest trochę bardziej skomplikowana jest w przypadku Bitcoina/blockchain’u, który z definicji zużywa energię, aby działać. Podstawowymi jego założeniami jest transparentność oraz brak organizmu kontrolującego jego działanie. Drugie z tych założeń jest zrealizowane właśnie poprzez zużywanie energii. Z tego powodu bardzo trafne jest tutaj określenie “In power we trust”, ponieważ bez zużycia odpowiedniej ilości energii można by bardzo łatwo zmanipulować ten system.

Bitcoin opiera się o algorytm typu proof-of-work, którego celem jest zapewnienie, że dana praca została wykonana. Jest on w tym przypadku zdecentralizowany.  Aby dodać blok do łańcucha tzw. “koparki” muszą zgadnać liczbę, która wraz z resztą bloku do wykonaniu funkcji hashującej spełni odpowiedni warunek (ilości zer na początku hash’a). Gdy którykolwiek z węzłów znajdzie rozwiązanie, publikuje on je i blok ten jest dodawany do łańcucha. W przypadku konfliktów wygrywa najdłuższy łańcuch (założenie, że najwięcej pracy zostało wykonane aby go stworzyć). Dzięki temu niemożliwe jest zmodyfikowanie łańcucha (przykładowo “double-spending problem”), podczas gdy nie ma się większości mocy obliczeniowej w sieci (“51% attack”).

Oczywiście “koparki” są zoptymalizowane pod wykonywanie konkretnych operacji i są to w dziejeszych czasach urządzenia przez najwydajniejsze karty graficzne.

Udział wydobycia Bitcoina w globalnej konsumpcji energii

Coraz częściej w sieci pojawiają się artykuły stawiające hipotezę, że Bitcoin zużywa tyle energii co niektóre państwa [5]. Dobrze w tym przypadku zacząć od suchych liczb pochodzących z oficjalnych źródeł takich jak U.S. Energy Information Administration (EIA) oraz Bitcoin Mining Council. Drugie z nich publikuje kwartalne raporty na temat udziału Bitcoina w globalnym wykorzystaniu energii. Według danych po pierwszym kwartale 2022 za poprzedni rok Bitcoin zużył 247 TWh.

Warto spojrzeć również na to jak Bitcoin wypada na tle innych branż.

Ciekawie prezentuje się także udział energii odnawialnej w globalnej sieci Bitcoina.

Według danych z EIA z 2019 roku (tylko takie są dostępne w momencie pisania artykułu) na świecie zostało zużyte około 173 340 TWh energii, natomiast 27 520 TWh stanowiła produkcja elektryczności.

Estymacje z 2022 roku przeprowadzone przez Cambridge Centre for Alternative Finance (CCAF) [9] różnią się od powyższych i mówią że BitCoin zużywa 131 TWh co stanowi 0.29% produkcji energii oraz 0.59% produkcji energii elektrycznej. W rankingach energii elektrycznej drugiej plasuje to Bitcoina pomiędzy Ukrainą a Egiptem co jest zgodne z danymi z EIA z 2021.

Wyraźnie każdy porównuje Bitcoina zgodnie z własnymi potrzebami w zależności od tego co chce pokazać. Warto jednak zauważyć, że są to statystyki odnoszące się tylko do jednej kryptowaluty, a istnieje ich znacznie więcej. Są one jednak oparte bardzo często o Ethereum, które jest znacznie bardziej energooszczędne od Bitcoina i wszystkie są liczone w energii zużywanej przez Ethereum. Według [12] Bitcoin stanowi 2/3 zużycia energii przez kryptowaluty. Problem ten jednak nie pozostaje niezauważony i pojawią się także energooszczędne kryptowaluty, które starają się rozwiązać ten problem.

W prezentacji BMC warto również zobaczyć na mapę jak wygląda udział poszczególnych krajów w hash rate Bitcoina. Nie jest to ściśle związane z zużyciem energi ze względu na różnice sprzętowe, jednak mocno skorelowane.

USA generuje najwięcej hash’y na sekundę, na drugim miejscu są Chiny. W tych drugich znaczące wpływ ma polityka, która była bardzo zmienna na przestrzeni lat. Początkowo Chiny zachęcały mieszkańców do “kopania” kryptowalut, jednak potem zaczęły się z tego wycofywać, prawdopodobnie na rzecz własnej kryptowaluty.

Energooszczędne kryptowaluty

Po pojawieniu się głosów o zbyt dużej ilości energii zużywanej przez Bitcoina jako naturalne następstwo pojawiły się kryptowaluty deklarujące się jako przyjazne dla środowiska. Opierają się one na innych algorytmach niż Bitcoin przez co nie wymagają tzw. “proof-of-work”. Dla porównania Bitcoin zużywa 707 kWh na jedną transkację. Przykładami innych walut są:
1. Ripple (XRP) – 0.0079 kWh/transakcja
2. Dogecoin (DOGE) – 0.12 kWh/transakcja
3. Cardano (ADA) – 0.5479 kWh/transakcja
Bazują one np. na większości głosów lub algorytmie proof-of-stake gdzie losowo jest wybierany aktor realizujący transakcję. W artykule jednak do każdej z nich są wymieniane wady dlaczego nie mogą one zastąpić Bitcoina. Jednak te inicjatywy pokazują, że możliwe jest stworzenie energooszczędnej kryptowaluty.

Udział centrów danych w globalnej konsumpcji energii

Bardzo ciekawy raport został opublikowany przez EIA [14] analizujący sytuację konsumpcji energii przez centra danych oraz sieci transmitujące dane. Pomimo, że ostatecznie ten sektor został zakwalfikowany jako wymagający większego wysiłku to zaprezentowane wyniki wyglądają obiecująco.

Według raportu centra danych w 2020 roku zużyły 200-250 TWh (wyłączając Bitcoina, który zuzył ok. 100TWh), co stanowi około 1% światowego zużycia energii elektrycznej. Warto zauważyć, że w ostatnich latach obciążenie tych centrów znacząco wzrastało oraz wystrzeliło po wybuchu pandemii kiedy to zwiększyło się o 40%. Wybuch ten był spowodowany przez znacznie częstsze korzystanie z konferencji wideo, wideo na żadanie, gier online itp. Pomimo tego jednak konsumpcja nie wzrosła i utrzymuje się na stałym poziomie od dłuższego czasu.

Należy pamietać, że nie w centrach danych nie potrzbbne są tylko serwery ale także sprzęt do ich chłodzenia. Do sprawdzenia wydajności centrów danych służy metryka power usage effectiveness (PUE). Najlepsze aktualnie osiągnięte wartości tej metryki to ok. -1.1 PUE, co oznacza, że 0.1 kWh jest zużyte do chłodzenia i dostarczania energii dla 1 kWh sprzętu IT.

Centra danych są wielozadaniowe i ciężko szacować jak duże ilości energii zużywają poszczególne zadania. Zdecydowanie treningi algorytmów ML oraz przetwarzanie Big Data wymaga długiego przettwarzania i obliczeń przez co ma znaczący udział w energii konsumowanej przez centra danych jednak nie jest on w pełni mierzalny. Przykładowo w raporcie został podany przykład Facebooka którego zapotrzebowanie obliczeniowe na trening ML wzrosło o 150% rocznie podczas gdy centra danych tylko o 40%.

Inaczej wygląda sprawa gdy popatrzymy na sieci transmitujące dane. W 2020 roku zużyły one szacunkowo 260-340 TWh, co jest wyższą wartośćią niż w przypadku centrów danych. Jest to związane z coraz większą ilością przesyłanych danych. Jednak wartości te mogłyby być znacznie wyższe gdyby nie optymalizacje wprowadzane przez dostawców sieci. Przykładowo w 2020 ruch wzrósł o 45%, natomiast zużycie energii pozostało na poziomie z 2019 roku.

Zielone centra danych

Według raportu branża ICT inwestuje znaczne sumy w energię odnawialną. Największe korporacje takie jak Google, Apple czy Facebook zobowiązują się wyprodukować ilość energii równoważną zużyciu przez ich centra danych, co jednak nie zawsze oznacza, że 100% zapotrzebowania jest realizowane przez energię odnawialną ponieważ zapotrzebowanie nie zawsze odpowiada warunkom wiatrowym/słonecznym. Dodatkowo do 2030 Google i Microsoft zobowiązały się do nieprodukowania CO2 podczas korzystania z energii.

W styczniu 2021 operatorzy centrów danych w Europie podpisali “Climate Netrak Data Centre Pact”, aby te centra danych stały się neitralne dla klimatu do 2030 roku. Już teraz jednak istnieją centra danych w 100% zasilane energią odnawialną takie jak kampus N01 w Norwegii [11]. Co ciekawe (i optymistyczne) klienci dostrzegają wartość takich centrów danych i starają się je wybierać według [3].

Wnioski

Sumując wszystkie składniki przedstawione powyżej (centra danych, Bitcoina podane przez CCFA, urządzeń sieciowych) otrzymujemy ok. 750 TWh co stanowi ok 2.7% procenta produkowanej energii elektrycznej w 2021 na świecie. Są to tylko szacunkowe dane i brakuje w nich pewnych składników, jednak nawet po podwojeniu tej wartości nie jest to bardzo duża wartość w stosunku do możliwości jakie dają nam te rozwiązania.

Warto też zauważyć, że w każdym przypadku dostawcy tych usług zauważają problem zużycia energii i starają się go minimalizować. Również producenci urządzeń kładą duży nacisk na energooszczędność swoich urządzeń. Dodatkowo wszyscy starają się zwiekszać udział energii odnawialnych, zostają wprowadzane specjalne regulacje do których firmy starają się dostosować, aby zrobić dobre wrażenie na opinii publicznej. Na tle innych sektorów, ten sektor prezentuje się dobrze patrząc na dbałość o nasza planetę.

Niepokojącym faktem może być jednak to, że jedna usługa – Bitcoin – zużywa połowę tego co centra danych, a jest to tylko jedna usługa, natomiast centra danych oferują ich znacznie więcej. Jest to wpisane w założenia Bitcoina dlatego musimy się z tym liczyć. Pojawią sie też państwa, które używają tego systemu jako swojej waluty co zwiększa jego znaczenie. Należy również pamiętać o innych kryptowalutach.

Negatywnie o Bitcoinie wypowiada się też Elon Mask w jednym ze swoich wpisów, zabrania kupowania Tesli za pomocą Bitcoina i proponuje jego zastąpienie w tym celu.

Tesla & Bitcoin pic.twitter.com/YSswJmVZhP

— Elon Musk (@elonmusk) May 12, 2021

Wpływ na społeczeństwo

Wpływ centrów danych na okolicę

Często myśląc o usługach sieciowych wyobrażamy sobie, że istnieją one w jakimś magicznym, nieistniejącym na tym świecie miejscu zapominając, że podstawą działania tym serwisów są zbudowane fizyczne centra danych. Rzadko poświęcamy więcej czasu aby pomyśleć o fizycznych miejscach gdzie te serwery się znajdują. W jednym z badań przeanalizowano jak zbudowane centrum danych wpływa na życie w niewielkim mieście (Prineville w stanie Oregon) i zestawiono ten przykład z okolicznymi miastami żyjącymi z turystyki.

Pierwszym analizowanym aspektem była gospodarka. Jak łatwo się domyślić, taka inwestycja znacznie poprawiła lokalną ekonomię, burmistrz miasta nawet wprost stwierdził, że stworzone centrum danych niemal samodzielnie uratowało miasto przed problemami ekonomicznymi. W tej kwestii inwestycja ta działa podobnie co branża turystyczna. Co ważne, aż 75% osób zatrudnionych w centrum danych to ludzie mieszkający w mieście od dłuższego czasu (często urodzeni w tym mieście).

Drugim aspektem był wpływ na lokalne tradycje. Tutaj można znaleźć znaczne różnice między przykładem miasta z centrum danych a miastem turystycznym. O ile w przypadku miasta Prineville budowa centrum danych nie zmieniła loaklnych tradycji (parad czy rodeo), to w miastach turystycznych dokonano zmian, aby lepiej przypodobać się turystom. Ponadto w Prineville lokalne biznesy i restauracje zaczęły lepiej prosperować, a w przypadku miast turystycznych część z nich zostały zastąpione przez franczyzy w stylu Burger Kinga.

Ostatnim aspektem jest wpływ na lokalne środowisko. O ile prezesi wielkich firm IT lubią się chwalić używaniem zielonej energii, to dużo mniej mówią o recyklingu. Z badania wynika, że pracownicy w centrum danych również nie wiedzieli gdzie kończą produkowane przez nich śmieci, szczególnie części elektroniczne. Potencjalnie więc śmieci te mogą zaśmiecać lokalne środowisko lub być wywożone do innych regionów (lub państw).

Wpływ kryptowalut na spełeczeństwo

W środowisku kryptowalut od niemal samego początku zaistniał podział między ludzmi, którzy wyobrażali sobie kryptowaluty jako środek płatniczy przyszłości , a ludźmi którzy chcieli aby kryptowaluty były sposobem na przechowywanie majątku (store of value), czyli cyfrowym odpowiednikiem złota. O tym, która koncepcja ostatecznie zwyciężyła może świadczyć fakt, że kapitalizacja rynkowa bitcoin-cash (specjalny fork bitcoina dostosowany do realizowania płatności) jest ponad 170 razy mniejsza niż kapitalizacja tradycyjnego bitcoina (który jest kiepsko zoptymalizowany pod względem przeprowadzania transakcji). Ludzie więc w większości kupują kryptowaluty głównie z myślą o sprzedaniu ich drożej, czyli zarobieniu pieniędzy. I jak pokazuje ostatni krach na kryptowalucie Luna, potrafi mieć to drastyczny rezultat.

Kryptowaluta Luna była jedną z największych kryptowalut na świecie wartą łącznie 45 miliardów dolarów. Prawdopodobnie z powodu ataku spekulacyjnego, jej wartość zaczęła spadać, co wywołało panikę i dalsze spadki. To samo w sobie nie spowodowałoby jeszcze dramatu (w końcu inne kryptowaluty również mierzą się z takimi problemami), gdyby nie algorytmiczny mechanizm balansowania, który w celu poradzenia sobie z problemami umożliwił użytkownikom drukowanie większej ilości tej kryptowaluty za pomocą powiązanego z Luna stablecoina (kryptowaluty, której celem jest utrzymanie wartości 1 dolara). To doprowadziło do hiperinflacji i tym samym wartość jednej Luny spadła ze 120$ do mniej niż 0,01$ (a w praktyce sprzedaż Luny jest w zasadzie niemożliwa). Wszystko to stało się na przestrzeni zaledwie kilku dni.

Jest to oczywiście spore uproszczenie sytuacji, dla dokładniejszego wyjaśnienia warto zapoznać się z tym materiałem:

 

Poniżej widać, jak zmieniła się cena Luny względem dolara:

Jednak ważniejsze od kwestii technicznych czy wykresów jest dramat ludzi, którzy stracili swoje oszczędności inwestując w Lunę. Nie wiadomo dokładnie ile takich inwestorów było i kim oni byli (w końcu anonimowość to jedna z cech kryptowalut), jednak szacuje się, że było to setki tysięci ludzi. W wyniku krachu fora w stylu reddita zalały się wpisami o straconych majątkach życia, a w najgorszych przypadkach ludzie tracą możliwości spłaty kredytów za mieszkanie.

Chociaż można stwierdzić, że inwestując należy liczyć się z ryzykiem i problemy ludzi wynikają z ich nieodpowiedzialności, to warto sobie uświadomić jak dużo problemów może spowodować krach kryptowaluty, która – co warto przypomnieć – ma za główne zadanie przechowywać wartość (i w miarę możliwości ją zwiększać), a możliwości jej użycia jako środka płatniczego są mocno ograniczone.

Kryptowaluty a ceny kart graficznych

Wzrost popularności kryptowalut spowodował zainteresowanie możliwością ich kopania. Dla wielu popularnych kryptowalut najbardziej efektywną kosztowo metodą jest kopanie przy użyciu kart graficznych. To oznacza, że popyt na karty graficzne poszedł znacznie do góry (i razem z popytem – ceny). W ten sposób doszło do sytuacji, w których ciężko jest zdobyć kartę graficzną w rozsądnej cenie. Bez dostępu do wydajnych kart graficznych, ciężko jest artystom rozwijać się choćby w dziedzinie obróbki zdjęć 3D lub w animacji. Może to doprowadzić do sytuacji, w której ciężko będzie ludziom z biedniejszych rodzin (czy z biedniejszych regionów świata) realizować swoją pasję. A przecież są też inne zastosowania kart graficznych, jak choćby w dziedzinie sztucznej inteligencji. No i nie zapominajmy o dramacie graczy ;).

 

Bibliografia:

1. Q1 2022 https://bitcoinminingcouncil.com/wp-content/uploads/2022/04/2022.04.25-Q1_2022_BMC_Presentation.pdf
2. Q4 2021 https://bitcoinminingcouncil.com/wp-content/uploads/2022/01/2022.01.18-BMC-Q4-2021.pdf
3. https://biznes.wprost.pl/technologie/10392856/centra-danych-zuzywaja-tyle-pradu-co-panstwa-dlatego-musza-sie-zmienic.html
4. https://en.wikipedia.org/wiki/Environmental_impact_of_cryptocurrencies
5. https://globenergia.pl/bitcoin-zuzywa-8-razy-wiecej-energii-niz-google-i-facebook-razem-wziete/
6. https://ccaf.io/cbeci/mining_map
7. https://en.wikipedia.org/wiki/Environmental_impact_of_cryptocurrencies
8. https://ourworldindata.org/energy-production-consumption#total-energy-consumption
9. https://ccaf.io/cbeci/index
10. https://surface.syr.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1212&context=thesis
11. https://bulkinfrastructure.com/data-centers/locations/n01
12. https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(20)30331-7?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS2542435120303317%3Fshowall%3Dtrue
13. https://www.business-standard.com/article/finance/terra-luna-cryptocurrency-collapses-98-investors-lose-life-savings-122051200809_1.html
14. https://www.iea.org/reports/data-centres-and-data-transmission-networks