Towards Sustainable Data Centers and ICT Services

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2019-08-23
Date
2019
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
88 + app. 100
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 118/2019
Abstract
According to the Intergovernmental Panel on Climate Change report in 2018, the current rate causes global warming of 1.5 °C between 2030 and 2052. Despite the positive impacts of dematerialization, decarbonization, and demobilization, there is a growing concern on the environmental impact of ICT. Can services moving online be considered sustainable development? Favorable and adverse environmental impacts can be found on all system levels. There is a possible rebound effect; even though the energy efficiency of devices has improved, the scale of use has increased at a rate which results in an increase in the total energy consumption.  There are two ways to reduce ICT energy consumption: 1) improve the energy efficiency of the devices and 2) make ICT services consume less resources and energy. This thesis assesses the energy consumption of the ICT infrastructure and gives case examples of both options of consumption reduction. The first case examines reusing of waste heat emerging from data centers (DCs), and the second case focuses on reducing ad fraud traffic in online advertising.  The energy efficiency of DCs is becoming more critical as their number is growing. The electricity consumed by a DC converts to heat. However, most of the heat is not utilized, even though different solutions already exist. Online advertising is associated with funding online search services, map services, and social media to billions of users, and the sustainable growth of this industry is seen as necessary. Online ads are almost indistinguishable to end-users, but consume a significant part of the resources. Online ads increase energy consumption through four factors: 1) the amount of downloaded data increases, 2) the varying inter-transfer interval reserves resources, 3) the time required to access the payload content or application increases, and 4) the amount of active connections increases.  The results of this thesis show that DCs can become more energy efficient by investing in waste heat reuse. The investment is profitable inside the full range of uncertainty in large DCs. In medium DCs, the extremely pessimistic factor values result in a negative outcome. Small DCs are sensitive to factor variations. In 2016, online advertising consumed 20–282 TWh of energy. With 2016 input factor values, online advertising consumed 106 TWh of energy. The carbon emissions were 60 Mt CO2e (between 12 and 159 Mt of CO2e with uncertainty). The share of ad fraud traffic was 13.87 Mt of CO2e emissions (between 2.65 and 36.78 Mt of CO2e with uncertainty). The thesis discussed the use of blockchains to control fraudulent advertising traffic, and concludes that blockchain can become a solution to address some of the issues of ad fraud, but the current technology is not ready. 

Kansainvälisen ilmastonmuutospaneelin vuonna 2018 julkaiseman raportin mukaan maapallon lämpeneminen saavuttaa nykytahdilla 1.5 °C  tason vuosien 2030 ja 2052 välillä. Huoli ICT:n ympäristövaikutuksista on kasvanut, huolimatta sen positiivisista vaikutuksista, kuten vähentynyt materialisaatio ja matkustaminen sekä hiilettömyyden kasvamisesta. Onko palveluiden digitalisoituminen kestävää kehitystä? Myönteisiä sekä kielteisiä ympäristövaikutuksia löytyy kaikilla systeemitasoilla. On myös mahdollinen takaisinkytkentäefekti; vaikka laitteiden energiatehokkuus paranee, palveluiden käyttö kasvaa nopeudella, jonka lopputuloksena energian kokonaiskulutus on kasvanut. ICT:n energiankulutusta voidaan vähentää kahdella tavalla: 1) parantamalla laitteiden energiatehokkuutta ja 2) vähentämällä palveluiden käyttämien resurssien ja energian määrää. Tämä lopputyö selvittää IT-infrastruktuurin energiankulutusta ja tutkii esimerkkitapauksia kummastakin tavasta vähentää kulutusta. Ensimmäiseksi tutkitaan datakeskusten hukkalämmön hyödyntämistä, ja sen jälkeen mainoshuijausten vaikutusta verkkoliikenteen määrään sekä ICT teollisuuden energian kokonaiskulutukseen.  Datakeskusten energiatehokkuuden tärkeys korostuu määrän kasvaessa. Datakeskuksissa kulutettu sähkö muuntuu lämmöksi. Tätä syntynyttä lämpöä ei kuitenkaan hyödynnetä, vaikka soveltuvia ratkaisuja on saatavilla. Verkossa tapahtuva markkinointi mielletään yleensä rahoituskeinona tarjota hakusana-, kartta-, ja sosiaalisen median palveluita miljardeille käyttäjille. Toimialan kasvu nähdään välttämättömänä. Verkkomarkkinointi on loppukäyttäjälle lähes huomaamatonta mutta kuluttaa merkittäviä määriä resursseja. Verkkomarkkinointi kasvattaa energiankulutusta neljällä eri tavalla: 1) ladatun datan määrä kasvaa, 2) tiedonsiirron vaihteluväli varaa resursseja, 3) hyötysisältöön pääsemiseen käytetty aika kasvaa ja 4) aktiivisten yhteyksien määrä kasvaa.  Datakeskusten energiatehokkuus paranee investoimalla hukkalämmön hyödyntämiseen. Investointi on kannattava isoissa datakeskuksissa. Keskikokoisissa datakeskuksissa vain erittäin pessimistiset lähtöarvot tuottavat negatiivisen tuloksen. Pienet datakeskukset ovet herkkiä lähtöarvojen vaihtelun osalta. Vuonna 2016 verkkomarkkinointi kulutti 20–282 TWh energiaa. Vuoden 2016 lähtöarvoilla verkkomarkkinointi kulutti 106 TWh energiaa ja emissiot olivat 60 Mt CO2e (epävarmuus huomioiden 12 ja 159 Mt CO2e välillä). Mainoshuijausten aiheuttaman verkkoliikenteen osuus oli 13.87 Mt CO2e emissioita (epävarmuus huomioiden 2.65 ja 36.78 Mt CO2e välillä). Lopputyö arvioi lohkoketjun hyödyntämistä mainoshuijausten aiheuttaman liikenteen kontrolloinnissa. Lohkoketjusta voi tulla käytännöllinen ratkaisu osaan ongelmista, mutta teknologia ei ole sellaisenaan valmis.
Description
Supervising professor
Manner, Jukka, Prof., Aalto University, Department of Communications and Networks, Finland
Thesis advisor
Haimi, Suvi, Adjunct Prof., University of Helsinki, Finland
Keywords
sustainability, internet services, energy efficiency, environmental impact assessment, data center, online advertising, ad fraud, blockchain, kestävä kehitys, internet-palvelut, energiatehokkuus, ympäristövaikutusten arviointi, datakeskus, verkkomarkkinointi, mainoshuijaus, lohkoketju
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Wahlroos, Mikko; Pärssinen, Matti; Syri, Sanna; Manner, Jukka. 2017. Utilizing data center waste heat in district heating – Impacts on energy efficiency and prospects for low-temperature district heating networks. Elsevier. Energy, volume 140, issue 1, pages 1228-1238. ISSN: 0360-5442.
    DOI: 10.1016/j.energy.2017.08.078 View at publisher
  • [Publication 2]: Wahlroos, Mikko; Pärssinen, Matti; Rinne, Samuli; Syri, Sanna; Manner, Jukka. 2018. Future views on waste heat utilization - case of data centers in Northern Europe. Elsevier. Renewable and Sustainable Energy Reviews, volume 82, issue 2, pages 1749-1764. ISSN: 1364-0321.
    DOI: 10.1016/j.rser.2017.10.058 View at publisher
  • [Publication 3]: Pärssinen, Matti; Kotila, Mikko; Cuevas, Ruben; Phansalkar, Amit; Manner, Jukka. 2018. Environmental impact assessment of online advertising. Elsevier. Environmental Impact Assessment Review, volume 73, pages 177-200. ISSN: 0195-9255.
    DOI: 10.1016/j.eiar.2018.08.004 View at publisher
  • [Publication 4]: Pärssinen, Matti; Kotila, Mikko; Cuevas, Ruben; Phansalkar, Amit; Manner, Jukka. 2018. Is Blockchain Ready to Revolutionize Online Advertising? IEEE. IEEE Access, volume 6, issue 1, pages 1-16. ISSN: 2169-3536.
    DOI: 10.1109/ACCESS.2018.2872694 View at publisher
  • [Publication 5]: Pärssinen, Matti; Wahlroos, Mikko; Manner, Jukka; Syri, Sanna. 2018. Waste Heat from Data Centers: An Investment Analysis. Elsevier. Sustainable Cities and Society, volume 44, pages 428-444. ISSN: 2210-6707.
    DOI: 10.1016/j.scs.2018.10.023 View at publisher
Citation