Ứng dụng công nghệ thông tin và truyền thông trong sử dụng năng lượng – Cục Chuyển đổi số quốc gia

– Trung tâm dữ liệu: là cơ sở được sử dụng để chứa các máy chủ máy tính nối mạng lưu trữ, xử lý và phân phối một lượng lớn dữ liệu. Trung tâm dữ liệu sử dụng

năng lượng để cung cấp năng lượng cho cả phần cứng công nghệ thông tin (ví dụ: máy chủ, ổ đĩa và thiết bị mạng) cũng như cơ sở hạ tầng hỗ trợ (ví dụ: thiết bị làm mát).

– Mạng truyền dữ liệu: truyền dữ liệu giữa hai hoặc nhiều thiết bị được kết nối. Mạng dữ liệu sử dụng năng lượng để truyền dữ liệu qua mạng cố định và mạng di động.

– Thiết bị được kết nối: gồm thiết bị điện tử gia dụng và các thiết bị khác có thể được kết nối và tương tác với mạng hoặc các thiết bị khác.

Khi có thêm hàng tỷ thiết bị và máy móc được kết nối trong những năm tới, chúng sẽ tiêu thụ điện đồng thời thúc đẩy tăng trưởng nhu cầu về trung tâm dữ liệu và dịch vụ mạng. Từ năm 2007 đến 2012, ICT trên toàn thế giới đã tiêu thụ điện ước tính tăng 7% mỗi năm, so với 3% mỗi năm cho việc sử dụng điện nói chung. Cải thiện hiệu quả năng lượng có thể giúp hạn chế sự gia tăng nhu cầu năng lượng trong cả ba phân khúc. Những cải tiến lớn về hiệu quả của máy tính cùng tuổi thọ ngắn của các thiết bị đã giúp tăng tốc độ quay vòng, nâng cao hiệu quả của kho thiết bị, trung tâm dữ liệu và hệ thống mạng. Các thiết bị ngày càng nhỏ hơn và hiệu quả hơn, chẳng hạn như khi chuyển từ màn hình CRT sang màn hình LCD, từ máy tính cá nhân sang máy tính bảng và điện thoại thông minh. Tại Hoa Kỳ, việc sử dụng năng lượng của trung tâm dữ liệu đã chững lại kể từ năm 2010, mặc dù nhu cầu về dịch vụ trung tâm dữ liệu tăng trưởng mạnh mẽ. Định hướng tương lai của việc sử dụng năng lượng ngành ICT sẽ phụ thuộc vào cách các xu hướng này diễn ra theo thời gian.

Nhu cầu sử dụng năng lượng hiện tại và tầm nhìn ngắn hạn

– Trung tâm dữ liệu

Hầu hết lưu lượng truy cập Giao thức Internet (IP) của thế giới đi qua các trung tâm dữ liệu. Kết nối ngày càng tăng đang thúc đẩy theo cấp số nhân nhu cầu về các dịch vụ trung tâm dữ liệu và sử dụng năng lượng (chủ yếu là điện). Đối với mỗi bit dữ liệu di chuyển mạng từ trung tâm dữ liệu đến người dùng cuối, 5 bit dữ liệu khác được truyền trong và giữa các trung tâm dữ liệu. Cơ quan Năng lượng Quốc tế (International Energy Agency – IAE) ước tính rằng nhu cầu tiêu thụ điện của trung tâm dữ liệu toàn cầu trong năm 2014 lên tới khoảng 194 TWh, hoặc khoảng 1% nhu cầu điện trên toàn cầu. Mặc dù nhu cầu về các dịch vụ trung tâm dữ liệu ngày càng tăng, các nỗ lực phối hợp để cải thiện năng lượng hiệu quả đã hạn chế tăng trưởng nhu cầu điện trong những năm gần đây. Ước tính rằng các trung tâm dữ liệu tiêu thụ 203-272 TWh trong năm 2010, hay 1,1-1,5% tổng lượng điện toàn cầu sử dụng trong cùng năm.

Hoa Kỳ vẫn là thị trường trung tâm dữ liệu lớn nhất thế giới được đo lường theo khả năng tính toán và số lượng trung tâm dữ liệu. Mức tiêu thụ điện của các trung tâm dữ liệu tại Hoa Kỳ về cơ bản vẫn không đổi trong giai đoạn 2010-2014, chiếm khoảng 1,8% tổng lượng điện sử dụng của Hoa Kỳ trong năm 2014. Nếu không có những cải tiến về hiệu suất, năng lượng sử dụng sẽ tăng gần gấp đôi so với cùng kỳ. Khu vực Châu Á – Thái Bình Dương, thị trường lớn thứ hai, dự kiến chiếm hơn một phần ba khối lượng công việc của các trung tâm dữ liệu trên toàn cầu trong năm 2020.

Dựa trên xu hướng hiện nay về hiệu quả cơ sở hạ tầng phần cứng và trung tâm dữ liệu, IEA dự kiến nhu cầu năng lượng của trung tâm dữ liệu toàn cầu sẽ tăng khoảng 3%, lên tới 200 TWh vào năm 2020. Số lượng máy chủ tăng 22% và dung lượng lưu trữ tăng 46%. Sự tăng trưởng mạnh mẽ về nhu cầu đối với các dịch vụ trung tâm dữ liệu được bù đắp bởi những cải tiến liên tục về hiệu năng của máy chủ, thiết bị lưu trữ, thiết bị chuyển mạng và cơ sở hạ tầng trung tâm dữ liệu, cũng như sự chuyển dịch sang thị phần lớn hơn của các trung tâm dữ liệu đám mây và siêu dữ liệu. Trung tâm dữ liệu Hyperscale là những trung tâm dữ liệu đám mây công cộng quy mô lớn, rất hiệu quả và được vận hành bởi các công ty như Alibaba, Amazon và Google.

Hình 1: Nhu cầu sử dụng năng lượng của trung tâm dữ liệu toàn cầu theo mục đích sử dụng của người dùng cuối và kiểu trung tâm dữ liệu

Quá trình chuyển dịch các trung tâm dữ liệu nhỏ, kém hiệu quả sang các trung tâm dữ liệu đám mây và siêu cấp, thường thông qua các dịch vụ trung tâm dữ liệu thuê ngoài, là một nguồn tăng trưởng năng lượng chủ yếu và hiệu quả. Xu hướng này thể hiện rõ qua việc tỷ trọng cơ sở hạ tầng trung tâm dữ liệu trong tổng nhu cầu năng lượng ngày càng thu hẹp, do hiệu quả sử dụng điện của các trung tâm dữ liệu lớn rất thấp. Các trung tâm dữ liệu siêu cấp có thiết bị CNTT hiệu quả cao và chạy với công suất cao, một phần nhờ vào phần mềm cho phép các nhà điều hành trung tâm dữ liệu cung cấp hiệu suất công việc cao hơn với ít máy chủ hơn. Tuy nhiên, các trung tâm dữ liệu siêu cấp chỉ khả thi đối với các hoạt động mà không quan trọng độ trễ – thời gian trễ trong quá trình truyền dữ liệu, vì các trung tâm này thường nằm xa người dùng cuối hơn. Các trung tâm dữ liệu siêu cấp có thể chiếm tới 47% trong tổng số các trung tâm dữ liệu vào năm 2020, tăng từ 21% vào năm 2015. Trong ngắn hạn, các xu hướng về tiêu thụ năng lượng toàn cầu của các trung tâm dữ liệu phần lớn sẽ được xác định bởi những nỗ lực của ngành ICT nhằm tiếp tục cải thiện hiệu quả năng lượng, cũng như các chính sách và chương trình của chính phủ, từ đó thúc đẩy hoạt động của trung tâm dữ liệu được hiệu quả hơn.

– Mạng truyền dữ liệu

IEA ước tính rằng tổng lượng điện tiêu thụ trên toàn cầu phục vụ các mạng truyền dữ liệu Internet vào năm 2015 lên tới khoảng 185 TWh, tương đương 1% tổng nhu cầu điện trên toàn thế giới. Mạng dữ liệu di động chiếm khoảng 2/3 tổng số này. Nhu cầu năng lượng của các trung tâm dữ liệu trong tương lai phụ thuộc vào sự tăng trưởng nhu cầu về dữ liệu và tốc độ cải tiến hiệu quả hơn. IEA dự báo nhu cầu điện vào năm 2021 theo hai kịch bản cải thiện hiệu quả năng lượng: giả định tốc độ cải thiện vừa phải là 10% mỗi năm, gần với các ước tính thận trọng về những cải thiện trong lịch sử; và giả định rằng tốc độ cải thiện nhanh hơn là 20% mỗi năm, dựa trên tỷ lệ trước đây đạt được trong mạng lưới được quản lý tốt ở các nước phát triển, với trạng thái tối ưug công suất cao. Trong kịch bản cải thiện hiệu suất vừa phải, điểm giữa của phạm vi nhu cầu điện vào năm 2021 tăng hơn 70%, lên khoảng 320 TWh. Theo kịch bản cải thiện hiệu quả cao, điểm giữa giảm 15% xuống khoảng 160 TWh.

Hình 2: Ước tính điện năng tiêu thụ phục vụ các mạng truyền dữ liệu Internet

Một số xu hướng liên quan đang định hình tương lai của việc sử dụng điện cho mạng dữ liệu. Lưu lượng truy cập Internet toàn cầu tăng hơn ba lần trong giai đoạn 2011-16 và dự kiến ​​sẽ tăng với tốc độ tương tự trong giai đoạn 2016 – 2021. Tốc độ băng thông rộng cố định trung bình toàn cầu được dự đoán sẽ tăng gần gấp đôi từ năm 2016: lên 53 megabit/giây (Mbps) vào năm 2021 – nhanh hơn một nghìn lần so với modem 56k được sử dụng rộng rãi cách đây 15-20 năm. Đà tăng trưởng nhu cầu dữ liệu trong 5 năm tới được thúc đẩy mạnh mẽ bởi thị trường tiêu dùng, hiện chiếm 80% nhu cầu dữ liệu – chủ yếu dành cho video. Bản chất của việc truyền dữ liệu đang thay đổi nhanh chóng, với lưu lượng từ các thiết bị di động và thiết bị không dây dự kiến ​​sẽ chiếm hơn 63% tổng lưu lượng truy cập internet vào năm 2021, tăng từ 49% vào năm 2016.

Hình 3:  Lưu lượng truy cập Internet toàn cầu

Xu hướng dịch chuyển sang sử dụng mạng di động nhiều hơn có thể tác động đáng kể đến việc sử dụng năng lượng của các mạng truyền dữ liệu, do cường độ sử dụng năng lượng điện cao hơn đáng kể (kWh trên gigabyte [GB]) của mạng di động so với mạng cố định ở tốc độ đường truyền tương đương. Mạng 2G có thể tiêu tốn nhiều năng lượng hơn khoảng hai bậc (tức là hơn 100 lần) so với mạng đường dây cố định, 3G xấp xỉ một bậc (tức là hơn 10 lần) và 4G khoảng bốn lần. Mặc dù các công nghệ viễn thông di động mới nhất tiêu tốn ít năng lượng hơn nhiều so với các công nghệ cũ (ví dụ: 4G có thể tiết kiệm năng lượng hơn 50 lần so với 2G), cho phép sử dụng tốc độ và lưu lượng lớn hơn. Một trong những lĩnh vực tăng trưởng nhanh nhất về số lượng kết nối di động và lưu lượng truy cập là các kết nối giữa máy với máy (Machine-to-machine M2M), GPS cho các nhu cầu di chuyển và các phương tiện, đo lường thông minh và các công nghệ IoT khác. Dự kiến ​​sẽ có hơn 13 tỷ kết nối M2M vào năm 2021, tăng so với khoảng 6 tỷ vào năm 2016. Sự thay đổi một số kết nối M2M sang công nghệ được gọi là mạng diện rộng công suất thấp (Low power wide area – LPWA), sử dụng năng lượng rất thấp, có thể giảm thiểu một số tác động về nhu cầu năng lượng do sự tăng trưởng đột biến của các kết nối M2M. Tuy nhiên, cũng cần phải xem xét các rủi ro liên quan đến bảo mật và quyền riêng tư của LPWA.

Mặc dù nhu cầu dữ liệu tăng trưởng mạnh mẽ và sự chuyển dịch sang kết nối di động, ba xu hướng quan trọng dưới đây có thể giúp phòng ngừa những xu hướng tăng trưởng này và hạn chế nhu cầu cao hơn về năng lượng:

• Các công nghệ truyền dữ liệu đang nhanh chóng trở nên hiệu quả hơn, có thể gửi nhiều dữ liệu hơn bằng cách sử dụng ít năng lượng hơn. Cường độ năng lượng mạng đường dây cố định đã giảm một nửa sau mỗi hai năm kể từ năm 2000 ở các nước phát triển. Hiệu quả sử dụng năng lượng của mạng di động trong những năm gần đây đã được cải thiện với tốc độ hàng năm khoảng 10-20%.

• Kỹ thuật tối ưu hóa năng lực của các mạng dữ liệu làm giảm mức sử dụng năng lượng trên mỗi byte được gửi đi, ngay cả với các thiết bị hiện có.

• Các mạng di động đang chuyển dịch nhanh chóng từ các mạng cũ sang mạng 4G hiệu quả hơn. Đến năm 2021, 4G dự kiến sẽ bao phủ khoảng 80% lưu lượng di động, trong khi 2G dự kiến sẽ chỉ còn chiếm dưới 1%.

– Các thiết bị được kết nối

Thiết bị được kết nối – còn được gọi là thiết bị nối mạng, thiết bị đầu cuối – là thiết bị điện tử tiêu dùng, thiết bị gia dụng và các thiết bị khác có thể được kết nối với mạng và tương tác với mạng hoặc với các thiết bị khác. Cho đến gần đây, chỉ có một số thiết bị thường được kết nối với mạng truyền thông, chủ yếu là máy tính, tivi, bộ định tuyến và modem. Với sự phổ biến rộng rãi của Internet băng thông rộng, cũng như truy cập không dây và di động, ngày càng có nhiều thiết bị tiêu dùng, thiết bị gia dụng và cơ sở hạ tầng trên tất cả các lĩnh vực đang được kết nối với Internet và với nhau. Hàng tỷ thiết bị kết nối mới dự kiến ​​sẽ được kết nối trong vài năm tới. Số lượng điện thoại thông minh dự kiến ​​sẽ tăng từ 3,8 tỷ năm 2016 lên gần 6 tỷ vào năm 2020, trong khi số lượng thiết bị IoT được kết nối dự kiến ​​sẽ tăng gấp ba lần từ khoảng 6 tỷ năm 2016 lên hơn 20 tỷ vào năm 2020. Về lâu dài, có thể hình dung rằng hầu hết các thiết bị điện, và thậm chí một số mặt hàng tiêu dùng như quần áo có thể trở thành thiết bị IoT được kết nối, sử dụng năng lượng để thu thập, xử lý, lưu trữ, truyền và nhận dữ liệu. Khi thảo luận về việc sử dụng năng lượng của các thiết bị được kết nối (như một phần của ICT), sẽ hữu ích khi phân biệt giữa hai loại thiết bị được kết nối: “thiết bị biên điện tử”, có chức năng chính là lưu trữ/sử dụng dữ liệu, chẳng hạn như máy tính xách tay và điện thoại thông minh, và “Các thiết bị biên khác “, có chức năng chính không liên quan đến dữ liệu, chẳng hạn như thiết bị nhà bếp và ô tô được nối mạng.

Điều quan trọng cần lưu ý là việc sử dụng năng lượng trực tiếp của các thiết bị chỉ là một phần của năng lượng cho các thiết bị được kết nối. Năng lượng cũng được sử dụng để sản xuất và xử lý các thiết bị này, điều này quan trọng hơn trong các thiết bị nhỏ hơn, hiệu quả cao và tuổi thọ ngắn hơn như máy tính bảng và điện thoại thông minh. Hơn 3/4 năng lượng sử dụng trong vòng đời cho máy tính bảng gắn liền với quá trình sản xuất, trong khi đối với máy tính để bàn, năng lượng theo giai đoạn sử dụng chiếm hơn một nửa. Sự tăng trưởng về số lượng thiết bị được kết nối sẽ tiếp tục thúc đẩy khối lượng dữ liệu được tạo và truyền đi, cùng với năng lượng được sử dụng trong các trung tâm dữ liệu và mạng dữ liệu. Những tác động gián tiếp này có ý nghĩa hơn đối với các thiết bị nhỏ hơn do hiệu suất hoạt động cao của chúng. Đối với máy tính bảng, năng lượng được sử dụng để cung cấp dịch vụ mạng Internet được ước tính lớn hơn 10 lần so với năng lượng cần thiết cho việc sản xuất, sử dụng và thải bỏ thiết bị.

Triển vọng nhu cầu năng lượng trong dài hạn

Với tốc độ thay đổi và tiến bộ công nghệ nhanh chóng, việc đưa ra những dự báo đáng tin cậy về việc sử dụng năng lượng ICT trong vòng 5 năm tới là vô cùng thách thức. Nhu cầu về các dịch vụ trung tâm dữ liệu dự kiến ​​sẽ tiếp tục tăng mạnh sau năm 2020. Việc tiếp tục chuyển sang các trung tâm dữ liệu đám mây và siêu đám mây sẽ làm giảm mức tiêu thụ năng lượng của các trung tâm dữ liệu. Việc sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy cũng có thể mang lại nhiều hữu ích trong hoàn cảnh này. Gần đây, học máy đã được áp dụng cho các trung tâm dữ liệu của Google, giúp giảm 40% năng lượng để làm mát. Nếu nhu cầu về các dịch vụ trung tâm dữ liệu cao hơn mức tăng hiệu suất, năng lượng tái tạo sẽ cần được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các trung tâm dữ liệu này nhằm hạn chế phát thải khí nhà kính. Đối với các thiết bị được kết nối, chúng ta nên đặc biệt quan tâm đến mức tiêu thụ điện năng ở chế độ chờ. Các thiết bị như tivi thông minh và các thiết bị được kết nối sử dụng năng lượng liên tục để duy trì kết nối. Chế độ chờ nối mạng không hiệu quả có thể lãng phí khoảng 740 TWh mỗi năm vào năm 2025, tương đương với mức tiêu thụ điện hàng năm hiện tại Pháp và Vương quốc Anh cộng lại. Mức tiêu thụ điện năng ở chế độ chờ của các thiết bị IoT (không bao gồm tivi và máy tính) dự kiến ​​sẽ tăng lên 46 TWh vào năm 2025, với 36 TWh đến từ các thiết bị tự động trong gia đình.

Các thiết bị được kết nối chạy bằng pin vốn đã tiết kiệm năng lượng và các công nghệ “hấp thu năng lượng” mới xuất hiện có thể giúp giảm thiểu việc sử dụng năng lượng hơn nữa hoặc thậm chí làm cho một số thiết bị điện tử công suất thấp không cần phải sử dụng pin. Công nghệ thu năng lượng là quá trình năng lượng được thu gom từ các nguồn trong môi trường, chẳng hạn như năng lượng mặt trời, gió, chuyển động và âm thanh, từ đó cung cấp năng lượng cho một thiết bị. Mặc dù vẫn chưa thực sự hiểu rõ tác động của cơ sở hạ tầng CNTT cho blockchain và tiền điện tử đang phát triển nhanh chóng, và tác động của nó đối với nhu cầu tiêu thụ điện toàn cầu, nhưng các ước tính ban đầu cho thấy việc sử dụng điện của các công cụ khai thác Bitcoin – hiện có thể ở mức dưới 1/40 của 1% lượng điện sử dụng toàn cầu. Tuy nhiên, khi các ứng dụng blockchain phát triển hơn, việc hiểu rõ và quản lý các tác động về sử dụng năng lượng của nó sẽ ngày càng trở nên quan trọng đối với các cộng đồng làm chính sách và phân tích năng lượng. Những nỗ lực của ngành ICT nhằm cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng và chính sách của chính phủ nhằm thúc đẩy các thông lệ tốt nhất có thể giúp tiếp tục kìm hãm tăng trưởng nhu cầu năng lượng ICT trong một thời gian dài. Ví dụ, trong mạng dữ liệu, quan trọng là cần đưa ra các chính sách để đẩy nhanh việc loại bỏ sớm các mạng kế thừa sử dụng nhiều năng lượng. Với sự tăng trưởng nhu cầu dữ liệu dự kiến ​​sẽ mạnh nhất ở Châu Á – Thái Bình Dương và Bắc Mỹ, những nỗ lực không ngừng hướng tới sử dụng năng lượng ở các mạng và trung tâm dữ liệu hiệu quả hơn tại những khu vực này là rất quan trọng.

Kết luận

Có thể nói, các công nghệ kỹ thuật số đã phát huy vai trò của chúng trong việc mang lại lợi ích về năng lượng và môi trường. Các điều kiện thị trường thuận lợi sẽ cần thiết để thúc đẩy các thiết bị và thiết bị thông minh, cũng như cơ sở hạ tầng liên quan. Điều đó cũng đồng nghĩa với việc các chính sách của chính phủ đóng một vai trò quan trọng trong việc đẩy mạnh hiệu quả hơn nữa việc điều tiết sử dụng năng lượng ICT. Trong thực tế mới này, các nhà hoạch định chính sách cần phải sử dụng sáng tạo các công cụ và đòn bẩy chính sách, các phương pháp tiếp cận chính sách sẵn có nhằm giải quyết các tác động năng lượng trực tiếp của quá trình số hóa, từ đó mang lại những giá trị to lớn đối với hệ thống năng lượng toàn cầu, trách nhiệm bảo vệ môi trường và duy trì nguồn năng lượng xanh.

Nguyễn Phương Nhung

Tài liệu tham khảo

[1] Energy Efficiency 2019 – The authoritative tracker of global energy efficiency trends

[2] Digitalization and Energy – Analysis – IEA