Duurzaam energiebeheer in datacenters vormt één van de belangrijke gespreksonderwerpen vandaag de dag. Volgens Amerikaanse slimme koppen Jennifer Switzer en Barath Raghavan kunnen informatiebatterijen een bijkomende factor zijn om verantwoord om te springen met energie.

De wereld moet zo snel mogelijk af van het gebruik van fossiele brandstoffen om de klimaatcrisis in te dijken. Ja, toch? Elk bedrijf heeft de verantwoordelijkheid om schone en duurzame energie te implementeren. Zeker bedrijven met grote, energieverslindende datacenters. Voor hen zouden informatiebatterijen een oplossing kunnen bieden. Heb je totaal geen idee wat informatiebatterijen zijn? Wij zochten het uit en kwamen tot deze boeiende conclusie: het zijn niet echt batterijen.

Groene, duurzame energie als norm

De nood aan hernieuwbare, schone en groene energie is even groot als noodzakelijk in het licht van de groeiende klimaatcrisis. Zonne- en windenergie zijn logische oplossingen, alleen kampt de wetenschap met talloze uitdagingen. Eén ervan is de opslagcapaciteit van die energie. Een ander probleem is dat hernieuwbare energiebronnen niet altijd beschikbaar zijn. Zonne-energie opwekken in de nacht, daar is nog niemand in geslaagd.

Energievretende constructies, zoals datacenters, hebben een constante toevoer nodig aan elektriciteit. Overdag zijn er geen problemen en kunnen wind en zon hun deel van de elektriciteit opwekken om een aantal batterijen te voeden. Maar dat volstaat niet altijd en vooral ’s nachts is er een probleem. Datacenters hebben daarom vaak nog altijd fossiele brandstoffen nodig om de apparatuur draaiende te houden.

Een oplossing waar tal van wetenschappers aan werken zijn batterijen met grotere opslagcapaciteiten. Google ruilde bijvoorbeeld de dieselgeneratoren van hun datacenter in St. Ghislain in voor batterijen. Toch blijft de capaciteit, samen met de torenhoge kosten, een groot struikelblok voor de definitieve vervanging van fossiele brandstoffen.

Informatie als batterij

De problematiek zette Jennifer Switzer, PhD-student aan de universiteit van Californië San Diego, en Barath Raghavan, assistent-professor aan de faculteit computerwetenschappen bij de universiteit van Zuid-Californië, in denkmodus. Ze kwamen met een theorie op de proppen om data als een vorm van energiebesparing in te zetten. ‘Informatiebatterijen’, noemden ze het al dekt die vlag niet helemaal de lading. ‘Time-shifting’ komt meer in de buurt. Schuiven met het tijdstip om computerberekeningen te doen dus. Het uitgangspunt is nobel: het beschikbaarheidsprobleem van hernieuwbare energie aanpakken. 

Met die vraag in het achterhoofd zetten Switzer en Raghavan hun brein in stormmodus. “Indien computers energie nodig hebben om berekeningen uit te voeren, zijn de opgeslagen data dan een vorm van opgeslagen energie? Dan is informatie als het ware een batterij”, bedachten de wetenschappers.

Time-shifting als besparing

“Binnen vijf jaar zal evenveel hernieuwbare energie onnodig verloren gaan als de stad Los Angeles verbruikt in één jaar tijd”, zegt Raghavan in een interview bij Science Daily. “We kwamen tot de bevinding dat, als we kunnen voorspellen welke berekeningen een computer zal moeten doen, we die berekeningen vooraf kunnen laten gebeuren. En dat op een moment dat de hernieuwbare energie ruim aanwezig is.”

“De resultaten van de berekeningen, de data of informatie, worden opgeslagen en pas opgeroepen wanneer de computer die berekeningen nodig heeft. Omdat de opslag van data veel minder energie vreet, is er minder fossiele brandstof nodig, wat gelijk staat aan een netto besparing door deze time-shifting”, gaat Raghavan verder.

Google als voorbeeld

Het idee van time-shifting is niet nieuw. In 2020 testte Google het al door met workloads te schuiven in datacenters. Het doel was om vertaaltaken voor Google Translate te laten uitvoeren op momenten dat hernieuwbare energie volop beschikbaar was.

De wetenschappers pikken graag in op een ander product van Google om het nut van hun proof-of-concept te staven. “YouTube codeert elke dag meer dan 700.000 uur aan video’s in verschillende resoluties. Omdat dit voorspelbare acties zijn, kunnen deze verschoven worden naar momenten waar de hernieuwbare energie bijna onuitputtelijk is. De gecodeerde bestanden kunnen dan eenvoudig worden opgeslagen op de server.”

Een batterij, of toch niet?

Door met workloads te schuiven en op die manier energiebesparingen te realiseren, creëer je nog geen batterij. Toch verwijzen de onderzoekers graag naar hun concept met de naam informatiebatterijen. En ergens hebben ze nog een punt ook. “Een batterij converteert één type energie naar een ander. Bijvoorbeeld energie verkregen door zwaartekracht of samengeperste lucht gebruiken om iets anders in beweging te zetten. Of om data op te slaan”, zegt Raghavan. Daarmee ziet hij de opgeslagen berekeningen als een vorm van opgeslagen energie die je op een later moment opnieuw gebruikt .

Inschatten is het sleutelwoord in de paper van Raghavan en Switzer. Niet elke taak komt in aanmerking voor deze aanpak. Toch zijn er tal van datacenters die bepaalde workloads of berekeningen vooraf kunnen laten uitvoeren. Een bedrijf als Netflix zou, net als YouTube, content kunnen converteren om later te ondertitelen. Hetzelfde zou kunnen bij het trainen van machine-learning (ML) algoritmes. Een wetenschapper kan de machine opleiden om bepaalde trainingen op een energievriendelijk moment uit te voeren.

De planner aan het werk

Om een inschatting te kunnen maken, werkt de informatiebatterij ongeveer zoals de planners in het OS van een smartphone. Die planners zorgen ervoor dat de dataflow optimaal door processor en andere chips vloeit.

In het geval van de informatiebatterij beschikt de manager over drie onderdelen: een prijsindicator, een berekeningenmotor (om te bepalen welke taken vooraf uit te voeren zijn) en een planner.

Om te bepalen welke taken vooraf kunnen worden uitgevoerd, weegt de planner van een informatiebatterij informatie van de prijsindicator en de berekeningenmotor tegen elkaar af. In het model van Raghavan en Switzer woog de informatiebatterij-manager de indicatoren elke vijf minuten tegen elkaar af. Wanneer de elektriciteitsprijs onder een bepaalde grens dook, dan liet de manager een aantal berekeningen uitvoeren en de resultaten opslaan.

Tot 30 procent besparen

Volgens de onderzoekers was het model effectief in het terugdraaien van de nood aan ‘grid power’ zoals ze het zelf noemden. Zelfs wanneer de planner de indicatoren niet goed afwoog, bleek de inschatting vaak de juiste en werden taken ingepland op een energievoordelig moment. Op die manier zouden bedrijven tot wel 30 procent van de energiekosten kunnen besparen.

In een doorsnee datacenter kunnen berekeningen tot anderhalf uur vooraf worden ingeschat, met een 90 procent nauwkeurigheidsgraad.

“In een doorsnee datacenter kunnen berekeningen tot anderhalf uur vooraf worden ingeschat, met een 90 procent nauwkeurigheidsgraad”, zegt Raghavan. “Met een iets meer gematigde voorspelling van om en bij een uur zou dat datacenter 150 MWh kunnen opslaan. Dat is significant meer dan de meeste opslageenheden met batterijen op grid-scale. Zulke batterijen kosten al snel 50 miljoen dollar.”

En hoeveel kost het?

De auteurs geven niet mee hoeveel het zou kosten om een informatiebatterij te laten draaien. Toch zal het alleszins een pak minder zijn dan de huidige infrastructuur. Bovendien is het geïmplementeerd in software zodat het kan worden geoptimaliseerd door de verschillende parameters.

“De sleutel tot de juiste implementatie van de informatiebatterij is te beseffen dat het geen algemene oplossing is. Het is daarentegen wel zeer effectief voor veel gewone workloads bij tal van bedrijven en datacenters”, besluiten de wetenschappers.

In de VS gebruiken datacenters ongeveer twee procent van alle elektriciteit en dat aantal zal ongetwijfeld nog groeien. In dat opzicht kunnen informatiebatterijen een betaalbaar alternatief worden voor kolossale en peperdure ‘echte’ batterijen. Zeker wanneer de hernieuwbare energiebronnen nog meer en effectiever worden aangesproken.