期待從比特幣風(fēng)口中分一杯羹的人們涌向“礦廠”，投入到“挖礦”掘金的熱潮中。與此同時(shí)，比特幣“挖礦”的驚人耗電量引人矚目。
能源價(jià)格比較服務(wù)網(wǎng)站PowerCompare.co.uk研究顯示，2017年用在比特幣“挖礦”上的電量超過(guò)29.05太瓦時(shí)（1太瓦時(shí)為1億度電），超過(guò)了全球159個(gè)國(guó)家的年均用電量。愛(ài)爾蘭全國(guó)（477萬(wàn)人口）一年的用電量也只有25太瓦時(shí)的電力。
近日又有報(bào)道稱(chēng)，云南昆明某小區(qū)內(nèi)有住戶由于進(jìn)行比特幣“挖礦”，導(dǎo)致小區(qū)內(nèi)大面積跳閘，變壓器被燒毀，400多米的電纜因此受損。
挖個(gè)比特幣，為什么這么耗電？
集成電路功耗是根本原因
“比特幣挖礦機(jī)本質(zhì)上是一種特殊的計(jì)算機(jī)?！鼻迦A大學(xué)信息技術(shù)研究院副院長(zhǎng)曹軍威在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)說(shuō)。
這種特殊的計(jì)算設(shè)備是如何挖到比特幣的呢？
在比特幣的世界里，大約每10分鐘會(huì)記錄一個(gè)數(shù)據(jù)塊。所有的挖礦計(jì)算機(jī)都在嘗試打包這個(gè)數(shù)據(jù)塊的同時(shí)完成提交任務(wù)，而最終成功生成這個(gè)數(shù)據(jù)塊的人，就可以得到一筆比特幣報(bào)酬。礦機(jī)的算力越強(qiáng)，“挖礦”速度越快，挖到比特幣的概率也就越高。
現(xiàn)在比特幣“挖礦”正在從“礦工”單打獨(dú)斗進(jìn)入“組隊(duì)挖礦”時(shí)代，也就是通過(guò)“礦池”來(lái)“挖礦”。假如你的礦機(jī)算力占整個(gè)“礦池”算力的五分之一，如果“礦池”一天能挖到5個(gè)比特幣，那么你可以分到1個(gè)比特幣。
在爭(zhēng)分奪秒的“挖礦”競(jìng)爭(zhēng)背后，電費(fèi)是不可忽視的重要成本。有“礦工”算了一筆賬：按照礦機(jī)每天運(yùn)行24個(gè)小時(shí)可以挖出0.0018個(gè)比特幣來(lái)計(jì)算，556天可以挖出一枚比特幣。他的礦機(jī)功率為1350瓦，功率1000瓦的礦機(jī)每小時(shí)約用一度電，兩臺(tái)礦機(jī)每天耗電量32.4度，每天電費(fèi)16.8元。也就是說(shuō)，挖到一枚比特幣要花費(fèi)9367元。
“從根本上來(lái)講，這是集成電路的功耗問(wèn)題?！辈苘娡嬖V科技日?qǐng)?bào)記者，從硬件層面來(lái)看，電路本身就會(huì)消耗電能，而比特幣挖礦機(jī)對(duì)算力的要求又比較高，在進(jìn)行大規(guī)?！巴诘V”時(shí)礦機(jī)又比較集中，加起來(lái)功耗自然就大了。
吸電“狂魔”不只有挖礦機(jī)
其實(shí)，除了比特幣“挖礦”，計(jì)算設(shè)備耗電量驚人的新聞十分常見(jiàn)。
比如超級(jí)計(jì)算機(jī)。報(bào)道顯示，天河二號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)每年產(chǎn)生的電費(fèi)接近1億元人民幣，相當(dāng)于一座中小城市一年的耗電量。“神威·太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)每年耗電量約為15兆瓦時(shí)，相當(dāng)于3個(gè)清華大學(xué)的用電量。耗電量依然驚人。
再比如數(shù)據(jù)中心。中國(guó)數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)委員會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)呂天文在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)介紹，2016年中國(guó)數(shù)據(jù)中心總耗電量超過(guò)1100億千瓦時(shí)，超過(guò)了三峽大壩2016年全年的總發(fā)電量，且與2015年時(shí)相比增長(zhǎng)11.7%。
“數(shù)據(jù)中心的耗電包括4個(gè)部分，IT設(shè)備、供配電系統(tǒng)、新風(fēng)制冷系統(tǒng)以及其他?！眳翁煳母嬖V科技日?qǐng)?bào)記者，其中IT設(shè)備耗電量占總耗電量的50%左右，新風(fēng)制冷系統(tǒng)占35%—40%左右，供配電系統(tǒng)占15%—18%左右。
呂天文介紹，PUE（Power Usage Effectiveness，電源使用效率）是衡量數(shù)據(jù)中心能源效率的重要指標(biāo)，它是將數(shù)據(jù)中心總設(shè)備能耗除以IT設(shè)備能耗得出的數(shù)值。目前國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心的平均PUE水平在2以上，也就是說(shuō)非IT設(shè)備的耗電量超過(guò)了IT設(shè)備本身的耗電量。
“在數(shù)據(jù)中心，大量能耗發(fā)生在非IT設(shè)備上，很多電被白白浪費(fèi)掉了?！眳翁煳母嬖V科技日?qǐng)?bào)記者，供配電系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)在節(jié)能方面有很大潛力。比如，新風(fēng)制冷系統(tǒng)占整個(gè)能耗的35%—40%，進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整節(jié)能改造后，就可以節(jié)約10%—20%的能耗。從全國(guó)范圍來(lái)看，就可以省出100億到200億元電費(fèi)。
突破摩爾定律限制成為關(guān)鍵
但呂天文承認(rèn)，在數(shù)據(jù)中心中，IT設(shè)備的節(jié)能才是最根本的。因?yàn)镮T設(shè)備能耗占主要部分，而且供配電系統(tǒng)、新風(fēng)制冷系統(tǒng)都是為IT設(shè)備服務(wù)的。
呂天文給科技日?qǐng)?bào)記者算了一筆賬，假如IT設(shè)備的功率為1000瓦，那么就需要同時(shí)配備功率為1000瓦的供配電系統(tǒng)和功率為1000瓦的新風(fēng)制冷系統(tǒng)，每小時(shí)總耗電量為3000瓦時(shí)。如果IT設(shè)備將能耗降到500瓦，就需要同時(shí)配備500瓦的供配電系統(tǒng)和500瓦的新風(fēng)制冷系統(tǒng)，每小時(shí)總耗電量為1500瓦時(shí)。
這意味著，一旦IT設(shè)備能耗降下來(lái)，整個(gè)數(shù)據(jù)中心的能耗也會(huì)顯著下降。
“但現(xiàn)在的數(shù)據(jù)中心節(jié)能改造大多關(guān)注供配電系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)等非IT設(shè)備，這其實(shí)是個(gè)悖論?！眳翁煳母嬖V科技日?qǐng)?bào)記者，一旦數(shù)據(jù)中心投入使用，就很難再對(duì)IT設(shè)備進(jìn)行改造，因?yàn)镮T設(shè)備宕機(jī)會(huì)帶來(lái)巨大損失。所以現(xiàn)在通常鼓勵(lì)數(shù)據(jù)中心在設(shè)計(jì)建設(shè)之初，就盡量采用性能更好的、更為節(jié)能的IT設(shè)備。
那么IT設(shè)備的能耗又是怎么產(chǎn)生的？呂天文解釋說(shuō)，數(shù)據(jù)中心的IT設(shè)備能耗“大戶”為網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備和服務(wù)器，其中網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)的能耗占60%左右。以前機(jī)械式硬盤(pán)的能耗就比較高，現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心越來(lái)越多地使用SSD固態(tài)硬盤(pán)等網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)技術(shù)，可以顯著減少這方面的能耗。
“無(wú)論是比特幣‘挖礦’，還是數(shù)據(jù)中心，或者是超級(jí)計(jì)算機(jī)，本質(zhì)上其功耗問(wèn)題都與最底層的集成電路有關(guān)?！痹诓苘娡磥?lái)，隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，單位面積集成電路上的器件越來(lái)越多，功能越來(lái)越復(fù)雜，與此同時(shí)單位面積集成電路的功耗也越來(lái)越高。
曹軍威介紹，除此之外，從軟件層面來(lái)看，其功耗又與算法的設(shè)計(jì)、軟件的效率有關(guān)。從系統(tǒng)層面來(lái)看，要看好多IT設(shè)備搭建的集群采用的是什么網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、是否高效。而從環(huán)境因素來(lái)看，又涉及散熱、制冷等系統(tǒng)。
至于如何從根本上讓這些計(jì)算設(shè)備不再如此耗電，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，恐怕需要通過(guò)量子計(jì)算和新半導(dǎo)體材料等來(lái)突破摩爾定律的限制，讓計(jì)算設(shè)備更高效、更節(jié)能。