Кембриджские ученые сформулировали принципы того, как вычислительную науку, которая способствует открытиям — от раскрытия тайн Вселенной до разработки методов борьбы с раком и улучшения нашего понимания генома человека, но может иметь значительный углеродный след, — можно сделать более экологически устойчивой.
Исследователи из Департамента общественного здравоохранения и первичной медико-санитарной помощи Кембриджского университета утверждают, что научному сообществу необходимо действовать сейчас, если оно хочет предотвратить потенциально неконтролируемый рост углеродного следа вычислительной науки по мере расширения использования науки о данных и алгоритмов.
Доктор Лоик Ланнелонг, научный сотрудник в области биомедицинских данных и аспирант Колледжа Иисуса в Кембридже, сказал: «Наука изменила наше понимание окружающего мира и принесла огромную пользу обществу. Но это привело к немалому — и не всегда хорошо понимаемому — воздействию на окружающую среду. Как ученым — как и людям, работающим в любом секторе, — важно, чтобы мы делали все возможное для уменьшения углеродного следа нашей работы, чтобы гарантировать, что выгоды от наших открытий не перевешиваются их экологическими издержками».
Недавние исследования начали изучать воздействие научных исследований на окружающую среду, первоначально уделяя особое внимание научным конференциям и экспериментальным лабораториям. Например, на осеннем собрании Американского геофизического союза в 2019 году, по оценкам, было выброшено 80 000 тонн CO2e (tCO2e), что эквивалентно средним недельным выбросам города Эдинбург, Великобритания. Ежегодный углеродный след типичной лаборатории биологических наук, по оценкам, составляет около 20 т CO2e.
Но есть один аспект исследований, который часто упускается из виду и который может оказать существенное воздействие на окружающую среду: высокая производительность и облачные вычисления.
По оценкам, в 2020 году на сектор информационно—коммуникационных технологий приходилось от 1,8% до 2,8% глобальных выбросов парниковых газов — больше, чем на авиацию (1,9%). В дополнение к экологическим последствиям использования электроэнергии, производства и утилизации оборудования, существуют также проблемы, связанные с использованием воды центрами обработки данных и занимаемой территорией.
Профессор Майкл Иноуйе сказал: «В то время как воздействие экспериментальных «мокрых» лабораторий на окружающую среду более очевидно, влияние алгоритмов менее очевидно и часто недооценивается. В то время как новое оборудование, центры обработки данных с низким энергопотреблением и более эффективные высокопроизводительные вычислительные системы могут помочь снизить их воздействие, растущее распространение искусственного интеллекта и науки о данных в целом означает, что их углеродный след может возрасти в геометрической прогрессии в ближайшие годы, если мы не начнем действовать сейчас «.
Чтобы помочь решить эту проблему, команда разработала GREENER (Управление, ответственность, оценка, энергетика и воплощенные воздействия, новое сотрудничество, образование и исследования) — набор принципов, которые позволят сообществу вычислительной науки лидировать в области устойчивых исследовательских практик, максимизируя пользу вычислительной науки как для человечества, так и для окружающей среды. окружающая среда.
Управление и ответственность
Каждый, кто занимается вычислительной наукой, должен сыграть свою роль в повышении устойчивости отрасли: индивидуальная и институциональная ответственность является необходимым шагом для обеспечения прозрачности и сокращения выбросов парниковых газов.
Например, сами учреждения могут играть ключевую роль в управлении и расширении централизованных инфраструктур данных, а также в обеспечении того, чтобы при принятии решений о закупках учитывались как производственные, так и эксплуатационные последствия закупок оборудования. ИТ-команды в центрах высокопроизводительных вычислений (HPC) могут играть ключевую роль как с точки зрения обучения, так и с точки зрения оказания помощи ученым в мониторинге углеродного следа их работы. Главные исследователи могут побудить свои команды задуматься над этим вопросом и предоставить доступ к подходящему обучению. Финансирующие организации могут влиять на исследователей, требуя, чтобы оценки углеродного следа включались в заявки на финансирование.
Оценивайте энергопотребление алгоритмов и сообщайте о нем
Оценка и мониторинг углеродного следа вычислений позволяет выявить недостатки и возможности для улучшения.
Показатели на уровне пользователей имеют решающее значение для понимания воздействия на окружающую среду и поощрения личной ответственности. Финансовые затраты на выполнение вычислений часто незначительны, особенно в академических кругах, и у ученых может сложиться впечатление о неограниченных и несущественных вычислительных мощностях. Количественная оценка углеродного следа отдельных проектов помогает повысить осведомленность об истинных затратах на исследования.
Решение проблем энергетики и воплощенных воздействий с помощью новых форм сотрудничества
Минимизация углеродоемкости, то есть углеродного следа при производстве электроэнергии, является одним из наиболее эффективных способов сокращения выбросов парниковых газов. Это может повлечь за собой перенос вычислений в низкоуглеродистые районы и страны, но это необходимо делать с учетом справедливости. Интенсивность выброса углерода может отличаться на целых три порядка между странами с самым высоким и самым низким уровнем дохода (от 0,10 гСО2э/кВтч в Исландии до 770 гСО2э/кВтч в Австралии).
Также важным фактором является использование пользовательских устройств: согласно одной оценке, почти три четверти (72%) энергопотребления при потоковой передаче видео на ноутбук приходится на ноутбук, при этом 23% используется при передаче и всего 5% — в центре обработки данных.
Еще одним ключевым фактором является хранение данных. Углеродный след при хранении данных зависит от множества факторов, но жизненный цикл хранения одного терабайта данных в течение года составляет порядка 10 кг CO2e. Эта проблема усугубляется дублированием таких наборов данных для того, чтобы у каждого учреждения, а иногда и у каждой исследовательской группы была копия. Ожидается, что крупные (гиперразмерные) центры обработки данных будут более энергоэффективными, но они также могут способствовать ненужному увеличению масштабов вычислений («эффект отскока»).
Образование и научные исследования
Образование имеет важное значение для повышения осведомленности различных заинтересованных сторон о проблемах. Включение вопросов устойчивого развития в учебные курсы по вычислительной технике является ощутимым первым шагом на пути к сокращению выбросов углекислого газа. Инвестирование в исследования, которые будут стимулировать инновации в области экологически устойчивых вычислительных технологий, играет решающую роль для спонсоров и учреждений.
Недавние исследования показали, что наиболее широко используемые языки программирования в научных исследованиях, такие как R и Python, как правило, являются наименее энергоэффективными, что подчеркивает важность наличия подготовленных инженеров-программистов в исследовательских группах для обеспечения эффективной реализации используемых алгоритмов. Также есть возможности для более эффективного использования существующих инструментов за счет лучшего понимания и мониторинга того, как выбор кодировки влияет на углеродный след.
Доктор Ланнелонг сказал: «У специалистов в области вычислительной техники есть реальная возможность стать лидерами в области устойчивого развития, но это потребует изменений в нашей культуре и способах нашей работы. Потребуется большая прозрачность, большая осведомленность, лучшая подготовка кадров и ресурсы, а также усовершенствованная политика.
«Сотрудничество, открытая наука и равный доступ к низкоуглеродным вычислительным мощностям также будут иметь решающее значение. Мы должны убедиться, что устойчивые решения работают для всех, поскольку они часто приносят наименьшую пользу населению, часто в странах с низким и средним уровнем дохода, которые больше всего страдают от изменения климата».
Профессор Иноуйе добавил: «Каждый в этой области — от спонсоров до журналов, учреждений и частных лиц — играет важную роль и сам может оказать положительное влияние. У нас есть огромная возможность что-то изменить, но часы тикают».