For most modern data centres, it is of high value to select practical methods for improving energy efficiency and reducing energy waste. IT-equipment and cooling systems are the two most significant energy consumers in data centres, thus the energy efficiency of any data centre mainly relies on the energy efficiency of its computational and cooling systems. Existing techniques of optimising the energy usage of both these systems have to be compared. However, such experiments cannot be conducted in real plants as they may harm the electronic equipment. This paper proposes a modelling toolbox which enables building models of data centres of any scale and configuration with relative ease. The toolbox is implemented as a set of building blocks which model individual components of a typical data centre, such as processors, local fans, servers, units of cooling systems, it provides methods of adjusting the internal parameters of the building blocks, as well as contains constructors utilising the building blocks for building models of data centre systems of different levels from server to the server room. The data centre model is meant to accurate estimating the energy consumption as well as the evolution of the temperature of all computational nodes and the air temperature inside the data centre. The constructed model capable of substitute for the real data centre at examining the performance of different energy-saving strategies in dynamic mode: the model provides information about data centre operating states at each time point (as model outputs) and takes values of adjustable parameters as the control signals from system implementing energy-saving algorithm (as model inputs). For Module 1 of the SICS ICE data centre located in Luleå, Sweden, the model was constructed from the building blocks. After adjusting the internal parameters of the building blocks, the model demonstrated the behaviour quite close to real data from the SICS ICE data centre. Therefore the model is applicable to use as a substitute for the real data centre. Some examples of using the model for testing energy-saving strategies are presented at the end of the paper.

The design of intelligent algorithms used for device monitoring and control can be costly and is an investment that must be protected against reverse engineering by competitors. An algorithm can be safeguarded by running remotely from the cloud instead of locally on the equipment hardware. However, such a setup requires that sensitive data is sent from the device to the cloud. Fully Homomorphic Encryption (FHE) is an emerging technology that offers a solution to this problem since it enables computation on encrypted data. A cloud service using FHE can protect its proprietary algorithms while simultaneously offering customer data confidentiality. The computational overhead for the technology is, however, still very high. This work reports on a practical investigation of using FHE for data center remote control problems: What applications are feasible today? And at what cost?

Data centers are complex systems that require sophisticated operational management approaches to provide the availability of digital services against the backdrop of cost and energy efficiency. To achieve this, data center telemetry data is required since, as is commonly said it is not possible to manage what cannot be measured. This paper details how it is possible to construct the key data center infrastructure management (DCIM) elements of monitoring and measuring by a combination of available opensource software tools that permit both scalability and an environment where analytics can be employed on the data center operation, which can offer relevant insight into energy efficient operational practices.

Denna rapport innehåller underlag för att kontinuerligt följa utvecklingen av energianvändningen för digital infrastruktur och digitala system, i synnerhet datacenter, samt dess påverkan på energisystemet. Användningen av elektricitet i datacenter har nyligen uppmärksammats av allmänheten, media och beslutsfattare/lagstiftare. Datacenter är en grundläggande infrastruktur för samhället ungefär som vägar. Datacenter är centrala i digitaliseringen och för den pågående gröna transformationen av industrin. Energianvändningen i datacenter är cirka 1–2 % av den globala elanvändningen och långt under de dramatiska siffror som visas i media. Rapporten omfattar datacenterinfrastrukturer. Ett datacenter är anläggningen som är värd för de datorer vi anlitar när vi använder webben, använder applikationer eller när industrier behandlar data i bakgrunden. Det mesta av energin i ett effektivt datacenter går till ITservrarna. Datacenter kan klassificeras i typkategorier och är av olika storlek. Datacenter i kontorsbyggnader för företagens interna bruk är vanligtvis mindre än 300 kW och molnföretagets anläggningar är stora på över 10 MW. Anläggningar för kryptovalutautvinning ingår inte i denna rapport. För att bedöma energianvändningen finns några möjliga metoder tillgängliga. Inom den korta tidsramen av denna studie förlitar sig RISE på redan tillgängliga rapporter, intervjuer och viss statistik som tagits emot. På lång sikt kommer ett statligt policybaserat krav på rapportering från datacenteroperatörerna att säkerställa transparens och kvalitet i bedömningen. Utvecklingen av datacentermarknaden i Sverige följer fortfarande vad som beskrivs i en färsk svensk rapport av Radar (Wallin, Werner, & Olofsson, 2020). De senaste åren har Sverige sett en ökad aktivitet av stora molnföretag i Sverige. Det har resulterat i en högre tillväxttakt för energianvändningen jämfört med europeiska eller globala siffror. RISE bedömer att den nuvarande energianvändningen av datacenter i Sverige till 2,8–3,2 TWh under år 2022 med beräkningar baserade på Radarrapporten. Att se in i framtiden är svårare. Eftersom flera större datacenter fortfarande byggs och kommer att byggas i Sverige och beräkningslaster från Europa kommer att fortsätta att flytta till Sverige är det därför rimligt att trenden för ökningen av energianvändningen kommer att ligga över EU-genomsnittet fram till år 2025. På grund av den nya skatteregleringar och den nuvarande ekonomiska nedgången kommer den dock att vara i en långsammare takt än mellan 2018–2022. RISE uppskattar på grund av detta att det blir hälften av tillväxttakten i Radar-rapporten efter 2022. RISE bedömer och beräknar att datacenters beräknade energianvändning i Sverige kommer att vara 4,0–4,4 TWh per år 2025. Efter 2025 finns det många osäkerheter. En försiktig uppskattning är 4,4–5,2 TWh per år för år 2030. Datacenter kan spela en viktig roll i integrationen med energisystemen. Datacenter kan till exempel utföra peak-shaving och energiarbitrage samt agera på frekvensstödsmarknaderna. Dessutom kan överskottsvärmen från datacenter användas i industriell symbios med värmeanvändare som fjärrvärmenät eller växthus. En annan viktig aspekt är att miljöpåverkan från datacenter handlar om mer än energieffektivitet. Analys av livscykeln för all utrustning och driften behöver göras samt övervaka andra mätetal än energianvändning, till exempel vattenanvändning. Många nya tekniker är och kommer att utvecklas för att förbättra energieffektiviteten och driften av datacenter. Högre energitäthet för beräkning per kvadratmeter kommer att kräva nya kylmetoder som vätskekylning, edge-beräkning kommer att kräva små beräkningsnoder inne i nätverken och produktion på plats av el med bränsleceller är en annan ny utveckling. Svensk industri är ledande inom hållbara datacenter. Många nya innovationer och produkter kommer från en växande industrisektor. Nyligen har en svensk branschorganisation för datacenter bildats. EU-kommissionen är aktiv för att utveckla visioner och strategier för Europas framtid. Ett policyprogram "Vägen till det digitala decenniet" ska säkerställa en ökad användning av digitala tjänster och därmed datacenter med stöd av Green deal-initiativet. Det finns tre nya initiativ om energieffektivitet, energieffektivitetsdirektivet (EED) uppdaterat med datacenter, direktivet för företagens hållbarhetsrapportering (CSRD) och EU-taxonomin för miljömässigt hållbar ekonomisk verksamhet, som också påverkar datacenterindustrin med ökad transparens av mätvärden från datacentren. En stödjande aktivitet är EU:s uppförandekod som kan hjälpa datacenteroperatörer att utvärdera och förbättra sin verksamhet. Andra initiativ pågår också som den klimatneutrala datacenterpakten, IMasons Climate Accord och Sustainable Digital Infrastructure Alliance.

Denna rapport innehåller en särskild bedömning avseende energianvändningen för utvinning av kryptovaluta i Sverige, samt dess påverkan på energisystemet. Ny teknik som blockkedjor har uppmärksammats på grund av dess ökade efterfråga på infrastruktur och energianvändning. Blockkedjor erbjuder ett nytt sätt att genomföra och registrera transaktioner. Det kallas kryptovaluta och är en form av digital valuta. Nackdelen är att vissa kryptovalutor för närvarande kräver en avsevärd mängd elektricitet för proofof- work (bevis genom arbete) bearbetning av tillgångsgenerering, ägande och utbyte. Nyligen har kryptovalutan Ethereum ändrat sin konsensusmekanism till proof-of-stake (bevis genom innehav) vilket gör att energianvändningen minskar drastiskt. Rapporten kommer att omfatta infrastruktur för utvinning av kryptovaluta. Ett datacenter för utvinning av kryptovaluta är en anläggning som innehåller grafiska bearbetningsenheter GPU-servrar i skåp eller ASIC-utvinningsriggar på hyllor och utrustning som stödjer utvinningen exempelvis kylutrustning. Konsensusalgoritmerna för proof-of-work, som för närvarande används för Bitcoin och andra blockkedjor, kräver en beräkningsintensiv process som löser ett matematiskt problem. För att bedöma energianvändningen finns några metoder tillgängliga. Inom den korta tidsramen av denna studie förlitar sig RISE på redan tillgängliga rapporter, intervjuer och viss statistik. I det långa loppet bör ett statligt policybaserat krav på rapportering från kryptovalutaoperatörerna säkerställa transparens och kvalitet i bedömningen. Sveriges andel av den globala Bitcoin-energianvändningen ligger på cirka 1 % enligt data från Cambridge University. Nodepole estimerar att kryptovaluta anläggningar i Sverige har ca 200 MW installerad effekt. RISE bedömer att data från Cambridge University och Nodepole är tillförlitligt och energianvändningen för infrastruktur för utvinning av kryptovaluta har varit ungefär oförändrad sedan 2021 fram till slutet av 2022. Nivån på årlig energianvändning i Sverige ligger då mellan 1–1,5 TWh per år och troligtvis närmare 1,5 TWh. På grund av nya skatteregler, höga energipriser, ekonomisk nedgång och kryptovalutors värdesänkning samt att en övergång mot proof-of-stake-metoder pågår, förväntas den årliga energianvändningen gå ner under 1 TWh till år 2025. Bitcoin föddes 2008 när Satoshi Nakamoto publicerade en artikel som kombinerade flera teknologier till ett distribuerat säkert digitalt kontantsystem. Kryptovalutor kan användas för betalningar, investeringar, spekulationer eller som ett finansiellt kapital. Internationell lagstiftning och policyskapande har framgångsrikt tagit itu med miljöpåverkan från kryptovalutor. Den kommande uppdaterade lagstiftningen, EU:s energieffektivitetsdirektiv, kommer sannolikt att kräva att aktörerna rapporterar miljö- och klimatpåverkansinformation. Med en stabil och hög arbetsbelastningsnivå på kryptovalutadatacenter och möjligheten att planera underhållsstopp är denna typ av datacenter lämpliga för integration med både el- och värmenäten. Kryptovalutadatacenter kan användas både för att stabilisera frekvensen i nätet och för att återvinna den stabila överskottsvärmen. Under 2015 lanserade en kryptovaluta kallad Ethereum ett koncept som kallas smarta kontrakt. De kan användas i applikationer för decentraliserade säkra databaser för andra transaktioner än valuta. Web 3.0 är en utveckling av konceptet där individer kan få behålla ägandet av sina egna data. Andra konsensusmekanismer är under utveckling som kan bidra till att minska energianvändningen samtidigt som de adresserar skalbarhet och latensproblem.

This report contains a special assessment regarding the energy use for the crypto currency mining in Sweden, as well as its impact on the energy system. Emerging technologies such as blockchain has received attention due to its growth of demand for infrastructure and energy use. Blockchain offers a new way to conduct and record transactions. It is called crypto currency and is a form digital currency. The drawback is that some crypto currencies currently require a considerable amount of electricity for proof-of-work processing of asset generation, ownership, and exchange. Recently one crypto currency Ethereum has changed to proof-of-stake consensus mechanism causing the energy use to drop drastically. The report will cover crypto currency mining infrastructures. A data center for crypto currency mining is a facility containing graphics processing units GPU-servers in cabinets or ASIC mining rigs on shelfs and equipment supporting the mining operations, for example cooling equipment. The proof-of-work consensus algorithms, that are currently used for Bitcoin, and other blockchains, require a computational-intensive process, solving a math problem. To assess the energy use, a few methods are available. In the short-time frame of this study, RISE relies on already available reports, interviews and some statistics received. In the long run a governmental policy-based requirement on reporting from the crypto mining operators will ensure transparency and quality of the assessment. For Sweden the share of the global Bitcoin energy use is at around 1% according to the Cambridge University data. Nodepole estimates that cryptocurrency facilities in Sweden have approximately 200 MW of installed power. RISE assesses that the data from Cambridge University and Nodepole are reliable and the energy use for crypto currency mining infrastructure has been approximately flat since 2021 until the end of 2022. The level of annual energy use in Sweden is then between 1-1,5 TWh per year and probably closer to 1,5 TWh. Due to new tax regulations, high energy prices, economic downturn and crypto currency drop in value as well as a move towards proof-of-stake methods are ongoing, the annual energy use is expected go down below 1 TWh by year 2025. Bitcoin was born in 2008 when Satoshi Nakamoto published a paper which combined several technologies into a distributed secure digital cash system. Crypto currencies can be used for payments, investments, speculations or as a store of wealth. International legislation and policy making have successfully addressed the environmental impact of crypto currencies. The coming updated legislation, EU Energy efficiency directive, will likely require the actors to report environmental and climate impact information. With a stable and high workload level on the crypto mining data centers and the possibility to plan maintenance stops, these kind of data centers are suitable for interaction to both the power and thermal grids. The crypto mining data centers can be used both for stabilizing the frequency in the grid and to upgrade the stable excess heat. In 2015 another crypto currency called Ethereum launched a concept called smart contracts. It can be used in applications for decentralized secure databases of transactions other than currency. Web 3.0 is a development of the concept where individuals would be allowed to maintain ownership of their own data. Other consensus mechanisms are in development that could help reduce energy use while also addressing scalability and latency issues.

This report contains a basis to follow the development of energy use continuously for digital infrastructure and digital systems, in particular data centers, as well as its impact on the energy system. The use of electricity in data centers has recently received attention by the general public, media and policy/law makers. Data centers are fundamental infrastructures for the society like roads. Data centers are central in the digitalization and for the ongoing green transformation of the industry. The energy use in data centers is around 1−2% of the global electricity use and far below the dramatic numbers shown in media. The report covers data center infrastructures. A data center is the facility that hosts the computers we use when we access the web, use applications or when industries process data in the background. Most of the energy in an efficient data center goes to the IT servers. Data centers can be classified into categories and are of different sizes. Data centers in office buildings for the company internal use is usually smaller less than 300 kW and the cloud company facilities are large at above 10 MW. Crypto mining facilities are not included in this report. To assess the energy use, a few methods are available. In the short-time frame of this study, RISE relies on already available reports, interviews and some statistics received. In the long run a governmental policy-based requirement on reporting from the data center operators will ensure transparency and quality of the assessment. The development of the data center market in Sweden still follows what is outlined in a recent Swedish report by Radar (Wallin, Werner, & Olofsson, 2020). The last years Sweden has seen an increased activity by large cloud companies in Sweden. It has resulted in a higher growth rate of the energy use compared to European or global numbers. RISE assesses that the current energy use by data centers in Sweden to be 2,8−3,2 TWh during the year 2022 using calculations based on the Radar report. Looking into the future is more difficult. Since more larger data centers still are under construction and will be built in Sweden and workloads from Europe will continue moving to Sweden and so it is reasonable that the trend for the growth of energy use will stay above EU average until year 2025. Due to the new tax regulations and current economic downturn, it will though be at a slower pace than between 2018−2022. RISE estimates half the growth rate of the Radar report due to this. RISE assesses and calculates the estimated energy use by data centers in Sweden will be 4,0−4,4 TWh per year by 2025. Beyond 2025 there are many uncertainties. A cautious estimate is 4,4−5,2 TWh per year for year 2030. Data centers can play an important role in the integration with the energy systems. For example, can data centers perform peak-shaving and energy arbitrage as well as act on the frequency ancillary markets. Also, the excess heat from data centers can be used in industrial symbiosis with heating applications such as district heating networks or greenhouses. Another important aspect is that it is more to environmental impact of data centers than energy efficiency. Analysis of the life cycle of all equipment and the operations needs to be done as well as monitoring other metrics than energy use for example water usage. Many new technologies are and will be developed to improve the energy efficiency and operations of data centers. Higher density of compute per square meter will require new cooling methods like liquid cooling, edge computing will require small compute nodes inside the networks and on-site production of electricity with fuel cells is another new development. Swedish industry is a leader in sustainable data centers. Many new innovations and products are coming from a growing industry sector. Recently a Swedish data center industry association has been formed. The European commission is active to develop visions and strategies for the future of Europe. A policy program “Path to the digital decade” will ensure an increased use of digital services and hence data centers supported by the Green deal initiative. There are three new initiatives on energy efficiency, the Energy Efficiency Directive (EED) updated with data centers, the Corporate Sustainability Reporting Directive (CSRD) and The EU Taxonomy for environmentally sustainable economic activities, that are also impacting the data center industry with increased transparency of metrics from the data centers. A supportive activity is the EU Code of conduct that can help data center operators to assess and improve their operations. Also, other initiatives are ongoing like the Climate neutral data center pact, the IMasons Climate Accord and the Sustainable Digital Infrastructure Alliance.