Ổ Cứng: Chìa Khóa Cho Sự Bền Vững Của Trung Tâm Dữ Liệu

Khi nhu cầu về trí tuệ nhân tạo (AI) và chi phí năng lượng tăng cao, các nhà điều hành trung tâm dữ liệu phải đối mặt với những hạn chế về điện năng, làm mát và không gian. Lưới điện đang quá tải với các tải trọng mới. Vấn đề này đã được đưa vào các cuộc tranh luận chính sách. Và tính bền vững hiện là một phần của kế hoạch năng lực.

Các cơ quan quản lý, khách hàng và nhà đầu tư đều kỳ vọng vào những tiến bộ đáng tin cậy trong việc đạt được các mục tiêu về khí hậu. Do nhu cầu lưu trữ dữ liệu ngày càng tăng, nhu cầu này ngày càng trở nên cấp thiết. Câu hỏi then chốt là: Liệu dung lượng lưu trữ bổ sung có thể đáp ứng được các mục tiêu bền vững và các hạn chế về hiệu quả hay không?

Vì các kiến ​​trúc phải cung cấp dung lượng sử dụng được theo thời gian mà không gây ra lượng khí thải quá mức ở cấp độ giá đỡ và trong suốt vòng đời sản phẩm, nên tính bền vững định hình cách thức triển khai lưu trữ ở quy mô lớn. Ngược lại, các lựa chọn lưu trữ ảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng điện năng và không gian của trung tâm dữ liệu.

Ổ cứng dung lượng cao giúp cải thiện hiệu quả mật độ năng lượng bằng cách cung cấp nhiều dữ liệu hữu ích hơn trên mỗi watt và mỗi rack, đồng thời giảm năng lượng tiêu thụ, chi phí làm mát và diện tích cần thiết để duy trì hoạt động của GPU. Khi công suất tiêu thụ của GPU tăng lên, dung lượng lưu trữ ổ cứng giúp mở rộng trung tâm dữ liệu một cách bền vững.

Để hiểu đầy đủ tác động đến tính bền vững, việc đánh giá lưu trữ phải được thực hiện ở cấp độ giá đỡ (rack) chứ không phải ở cấp độ thiết bị. Kiến trúc lưu trữ cần được đánh giá trên ba khía cạnh:

1. Lượng carbon tích lũy trên mỗi năm sử dụng TB (tài nguyên)
2. Lượng khí thải trong quá trình vận hành (tính từ tổng công suất tiêu thụ trên mỗi TB khả dụng, bao gồm hệ thống làm mát và cơ sở hạ tầng hỗ trợ như vỏ máy, v.v.)
3. Hành vi vòng đời (thời gian dung lượng đã triển khai vẫn có thể sử dụng được)

Việc đánh giá các yếu tố này cho thấy rằng kiến ​​trúc dựa trên ổ cứng mang lại tổng lượng khí thải carbon thấp nhất trên mỗi TB dung lượng khả dụng theo thời gian.

Trước khi xem xét kỹ hơn ba khía cạnh này, hãy xem xét các tiêu chuẩn trong bảng bên dưới.

Nó so sánh lượng carbon tích lũy, mức tiêu thụ năng lượng vận hành và hiệu suất vòng đời trên mỗi dung lượng sử dụng được ở quy mô giá đỡ, với ổ cứng làm cơ sở so sánh. ^{1, 4, 6}

Lượng carbon tích lũy trên mỗi TB dung lượng sử dụng được ở quy mô tủ rack

Hàng đầu tiên của bảng nêu bật lượng carbon tích hợp — lượng khí thải liên quan đến dung lượng lưu trữ của tòa nhà — và cho thấy tác động này thay đổi như thế nào khi được đánh giá trên mỗi TB khả dụng theo thời gian.

Ở quy mô tủ rack, việc cung cấp điện, làm mát và các hạn chế vật lý định hình kết quả. Các kiến ​​trúc cung cấp dung lượng sử dụng được nhiều hơn trên mỗi thiết bị và tủ rack sẽ giảm lượng khí thải liên quan đến việc xây dựng và thay thế dung lượng.

Ở cùng dung lượng sử dụng, mô hình hóa quy mô giá đỡ cho thấy các kiến ​​trúc dựa trên ổ cứng có mật độ dung lượng cao và tuổi thọ dài sử dụng ít điện năng vận hành hơn khoảng 4 lần và thải ra lượng khí carbon thấp hơn khoảng 10 lần so với các thiết kế dựa trên thiết bị khác. Sự khác biệt này phản ánh cách thức sản xuất và duy trì dung lượng ở quy mô lớn, bao gồm cường độ sản xuất và chi phí dung lượng cần thiết cho độ bền. ¹

Ổ cứng thể rắn (SSD) có thể phát thải lượng khí carbon gấp nhiều lần so với ổ cứng truyền thống tính trên mỗi terabyte dung lượng sử dụng được, với các mô hình dự đoán có thể lên tới hơn 20 lần, tùy thuộc vào dung lượng và các giả định triển khai. Việc triển khai SSD cũng thường yêu cầu cài đặt thêm dung lượng (gọi là “cung cấp vượt mức”) vì người dùng tránh sử dụng toàn bộ dung lượng định mức trong điều kiện ghi dữ liệu liên tục để giảm hao mòn sớm. Điều này làm giảm dung lượng sử dụng được trên mỗi SSD đã triển khai và làm tăng lượng khí thải CO₂e trên mỗi TB dung lượng sử dụng được. ⁷

Lượng khí thải trong quá trình vận hành ở quy mô tủ rack: Điện năng và hệ thống làm mát

Hàng dữ liệu về công suất trực tuyến trong bảng tập trung vào năng lượng cần thiết để duy trì hoạt động của hệ thống lưu trữ, cũng như hệ thống làm mát và cơ sở hạ tầng hỗ trợ. Nó cho thấy mật độ công suất và thiết kế giá đỡ ảnh hưởng đến tổng lượng khí thải ở quy mô lớn như thế nào.

Lượng khí thải trong quá trình vận hành phụ thuộc vào công suất trực tuyến trên mỗi TB. Trong các tiêu chuẩn được báo cáo bởi S. McAllister và cộng sự tại HotCarbon.org, công suất trực tuyến được giả định là hoạt động 24/7 của trung tâm dữ liệu siêu lớn để phản ánh hành vi luôn hoạt động ở quy mô lớn. ¹

Nền tảng Seagate Mozaic® nâng cao mật độ lưu trữ và quản lý năng lượng, giảm mức tiêu thụ năng lượng ở cấp độ tủ rack. Phân tích quy mô triển khai của Seagate cho thấy ổ cứng Mozaic hoạt động ở mức ~0,22 watt/TB, sử dụng ít hơn tới 70% điện năng so với các kiến ​​trúc thế hệ trước trong các giả định đã định. Trong các mô hình triển khai một exabyte, nền tảng Mozaic 4+ mới nhất cải thiện hiệu quả tổng thể của cơ sở hạ tầng khoảng 47% — so với ổ đĩa 30TB tiêu chuẩn — giảm diện tích trung tâm dữ liệu cần thiết khoảng 100 feet vuông và giảm mức tiêu thụ năng lượng hàng năm khoảng 0,8 triệu kilowatt-giờ. ⁴

McAllister và cộng sự chỉ ra rằng các tầng lưu trữ dựa trên ổ cứng có thể quản lý một phần lớn dữ liệu đã triển khai trong khi chỉ đóng góp một phần nhỏ vào lượng khí thải vận hành của hệ thống lưu trữ. Mật độ công suất tủ rack cao hơn làm tăng nhu cầu làm mát và cơ sở hạ tầng hỗ trợ, làm tăng lượng khí thải vận hành và khí thải tích hợp. ¹

Theo phân tích năm 2024 của McAllister: Các giá đỡ SSD chỉ chiếm 13% dung lượng đám mây đã triển khai, nhưng lại chiếm đến 39% lượng khí thải lưu trữ trong quá trình vận hành. Ổ cứng HDD lưu trữ 87% dữ liệu đám mây nhưng lại đóng góp đến 48% lượng khí thải trong quá trình vận hành. ¹

Lượng khí thải trong quá trình vận hành phản ánh chi phí hoạt động liên tục. Tác động tổng thể cũng phụ thuộc vào vòng đời: thời gian công suất đã triển khai vẫn có thể sử dụng được dưới tải trọng thực tế.

Thực tế vòng đời: Tại sao ổ cứng vẫn là lựa chọn mặc định?

Ổ cứng lưu trữ hầu hết dữ liệu doanh nghiệp và dữ liệu đám mây vì chúng có khả năng mở rộng hiệu quả và hoạt động tối ưu trong suốt thời gian sử dụng lâu dài.

Ngược lại, các hệ thống lưu trữ flash, vốn hữu ích cho dữ liệu cần truy cập tức thì, yêu cầu cấp phát dư thừa để quản lý độ bền ghi dưới tải trọng công việc liên tục. Điều đó làm giảm dung lượng khả dụng và tăng chi phí cũng như lượng khí thải carbon trên mỗi TB hiệu quả trong suốt quá trình triển khai. ⁷

Ổ cứng có tuổi thọ sử dụng lâu hơn, giúp cải thiện hiệu quả vòng đời, góp phần làm giảm đáng kể lượng khí thải carbon trên mỗi TB mỗi năm: 0,27 kg đối với ổ cứng so với 5,9 kg đối với SSD (xem hàng khí thải carbon trong bảng). Đây là một phần lý do tại sao chúng là nền tảng cho lưu trữ đối tượng, đường dẫn dữ liệu AI và lưu trữ dữ liệu dung lượng lớn. ^{1, 4}

Tuổi thọ sử dụng lâu hơn giúp giảm chu kỳ thay thế và lượng khí thải phát sinh. Tuổi thọ phụ thuộc vào khối lượng công việc và thiết kế hệ thống. Kiến trúc tiết kiệm năng lượng cho phép tái sử dụng, kéo dài tuổi thọ và giảm rác thải điện tử.

Công nghệ ổ cứng Seagate Mozaic cung cấp dung lượng hơn 40TB mỗi thiết bị với hiệu suất năng lượng cao, cho phép tạo các cụm máy chủ mật độ cao trong giới hạn nhiệt và năng lượng cho phép. Theo các tiêu chuẩn vòng đời thông thường, ổ cứng Mozaic mang lại lượng khí thải carbon tích hợp trên mỗi TB thấp hơn tới ~60% so với các nền tảng thế hệ trước. ⁴

Xét đến lượng khí thải carbon, mức tiêu thụ năng lượng trong quá trình vận hành và chi phí làm mát, bộ nhớ dựa trên ổ cứng cung cấp nền tảng bền vững cho các khối lượng công việc dung lượng cao. ⁴

Lý do biến đổi khí hậu đối với ổ cứng

Vì lưu trữ hỗ trợ sự phát triển của trí tuệ nhân tạo, điện toán đám mây và phân tích dữ liệu, tính bền vững là một ưu tiên. Các tiêu chuẩn vòng đời và mô hình quy mô triển khai cung cấp hướng dẫn. ¹

Phân tích vòng đời đầy đủ cho thấy ổ cứng mang lại lượng khí thải carbon thấp hơn trên mỗi TB dung lượng sử dụng được, đồng thời tiêu thụ ít điện năng và năng lượng làm mát hơn ở quy mô tủ rack. Các nền tảng như Mozaic bổ sung thêm dung lượng cao, tuổi thọ dài hơn và khả năng tương thích hệ thống rộng rãi.

Khi lượng dữ liệu ngày càng tăng, cơ sở hạ tầng thân thiện với khí hậu phụ thuộc vào các công nghệ có khả năng mở rộng trong toàn bộ vòng đời. Các giải pháp dựa trên ổ cứng cung cấp hiệu suất, khả năng mở rộng và hiệu quả tối ưu cần thiết để quản lý năng lượng và lượng khí thải trong suốt vòng đời sản phẩm.

Tính bền vững đòi hỏi quy mô — và ổ cứng cung cấp điều đó.

Tìm hiểu thêm tại đây về cách các cải tiến về hiệu quả lưu trữ đồng thời giúp tăng lợi nhuận cho trung tâm dữ liệu và thúc đẩy trách nhiệm môi trường.

Chú thích cuối trang

1. McAllister, S. và cộng sự, Kêu gọi nghiên cứu về phát thải từ quá trình lưu trữ, HotCarbon, ngày 9 tháng 7 năm 2024.
2. Jin, H. và cộng sự, Đánh giá vòng đời của các công nghệ mới nổi về khả năng thu hồi giá trị từ ổ cứng, Tài nguyên, Bảo tồn & Tái chế, 2020.
3. Ocient/Solidigm, Đối mặt với những thách thức của dữ liệu lớn hiện đại, Sách trắng Solidigm D5-P5430, 2025.
4. Mô hình vòng đời nội bộ của Seagate dự đoán ổ cứng 40TB dựa trên công nghệ Mozaic so với ổ cứng 12TB dựa trên công nghệ PMR (lượng khí thải carbon trên mỗi TB-năm và công suất tiêu thụ trên mỗi TB; giả định về vòng đời 5 năm và dung lượng sử dụng được).
5. IBM, Phân tích chi tiết về lượng khí thải CO₂e và tác động đến tính bền vững của các sản phẩm băng từ vật lý của IBM, tháng 1 năm 2022.
6. Phân tích nội bộ của Seagate về tác động carbon của khối lượng công việc lưu trữ/ngoại tuyến và các giả định mô hình hóa quy mô triển khai, bao gồm so sánh giữa ổ cứng HDD, SSD và băng từ LTO theo các giả định trường hợp sử dụng lưu trữ đã được xác định.
7. Huang, Tianqi, và cộng sự. “Bí mật bẩn thỉu của SSD: Lượng carbon tích hợp.” arXiv, tháng 7 năm 2022.  https://arxiv.org/abs/2207.10793 
8. Trong bài viết này, lượng khí thải tích hợp được thể hiện bằng CO₂e trên TB-năm, sử dụng số liệu do nhà cung cấp báo cáo và ước tính vòng đời của Seagate được chuẩn hóa trong vòng năm năm.
9. Các đánh giá vòng đời cho thấy lượng khí thải tích lũy thay đổi rất nhiều giữa các phương tiện lưu trữ do thiết kế sản phẩm và mô hình vòng đời.

---