Сделали перевод интересного материала от Techspot об углеродном следе технологического сектора. Автор статьи Абдулрахман Махмуд говорит, что ущерб от технологических компаний растет очень быстро.
Когда говорят об эмиссии парниковых газов, обычно обвиняют транспорт, ископаемое топливо, сельское хозяйство или электричество. Но если рассматривать эту проблему не поверхностно, увидим, что эти отрасли связаны с технологическим сектором. И углеродный след от него растет просто невероятными темпами.
Например, по расчетам, дата-центры во всем мире потребляют более 205 терават-часов электроэнергии в год. Это число превышает годовое потребление электроэнергии в таких странах как Ирландия, Дания, Тайвань или Южная Африка. Кроме того, сейчас только 61% населения мира находится онлайн, и, по самым скромным подсчетам, к 2030 году в сети будут более 43 миллиардов IoT-устройств. Прогнозируется, что в том же 2030 году на информационно-коммуникационные технологии придется от 7% до 20% потребления энергии.
Поскольку технологии становятся незаменимыми в нашей жизни, создание стабильных вычислительных систем позволит не только улучшить их эффективность, но и оказать позывное влияние на нашу планету.
Содержание
Почему это актуально сейчас?
Честно говоря, в последние годы компьютерная отрасль выглядит не лучшим образом, если говорить о ее роли в углеродных выбросах. Технологические компании поощряют выбрасывать «старые» технологии, как только появляются «новые». Это постоянное изменение технологий, например обновление мобильных телефонов, создает все больший запас «отходов». А их очень тяжело переделать или перепродать.
За последнее десятилетие стал очень популярным майнинг криптовалюты. Но алгоритм proof-of-work потребляет значительное количество энергии многих устройств и имеет негативные последствия.
Кроме того, еще есть «облако» (т.е. дата-центры), которое обеспечивает почти все наши повседневные потребности и помогает поддерживать связь. И эти без того гигантские дата-центры увеличиваются, чтобы качественно обслуживать нас, пользователей: благодаря им мы можем хранить фото, просматривать телевизионные передачи, управлять авиаперевозками и т.д.
Они работают круглосуточно, а их остановка окажет негативное влияние на жизнь многих людей. Но их работа плохо влияет на нашу планету.
Энергоэффективность всегда являлась тем фактором, на который обращают внимание при разработке нового аппаратного обеспечения. Но чтобы создать стабильную компьютерную среду, нужен целостный подход к влиянию технологии на окружающую среду в течение всего срока ее эксплуатации: начиная от изготовления микросхем на стадии производства и заканчивая переработкой полупроводников, когда они уже не требуются.
Недавно Национальный научный фонд США (NSF) объявил конкурс по проведению исследований в этой сфере. А где деньги – там, обычно, есть и инновации.
Кто виноват?
Можно было бы просто указать на компании, занимающиеся криптовалютой и дата-центрами. Но результат их деятельности – это лишь часть выбросов углерода. А вот выбросы от производства, транспортировки и утилизации в конце жизненного цикла вещей оставляют куда больший углеродный след.
Вот что обнаружили исследователи из Гарварда, исследуя общедоступные корпоративные отчеты о выбросах углерода от AMD, Apple, Google, Huawei, Intel, Microsoft, TSMC и других: углеродный след сейчас больше связан с капитальными затратами (однократными затратами на инфраструктуру и оборудование), а не с производственными издержками (повторяющимися операциями).
Например, выброс углерода в Apple в 2019 году составил 74% из-за затрат на производство, а из-за использования аппаратного обеспечения — только 19%. Производство интегрированных схем привело к 33% выбросов углерода: это подчеркивает необходимость инноваций в этом процессе.
Сжигание дизельного топлива, природного газа и бензина дает лишь небольшую часть прямых выбросов в эксплуатационных расходах дата-центров. Не считая того, это значимая доля углеродного следа производства микросхем: к примеру, более 63% выбросов от производства 12-дюймовых плат в TSMC.
Если рассмотреть существование компьютерной системы пошагово, становится понятнее, где именно происходят выбросы углерода:
- производство (включает закупку материалов, проектирование IC, упаковку и сборку);
- транспортировка (перемещение продукта или оборудования к месту использования);
- использование продукта (использование аппаратного обеспечения в течение всего срока службы, включая как статическое, так и динамическое энергопотребление);
- конец жизненного цикла (переработка и выбросы углерода в конце жизненного цикла, потенциально для повторного использования).
Похоже, есть определенное противоречие между разработкой нового оборудования для лучшей производительности и проектированием оборудования экологическим способом. Однако это не обязательно так: вычислительная индустрия так долго извлекала выгоду от закона Мура. Многие оптимизации в разных поколениях компьютеров были результатом масштабирования технологий.
Сейчас ситуация изменилась, но многие возможности все еще скрыты в переосмыслении традиционных архитектурных техник с точки зрения стабильности и надежности.
ШИ (углеродный след)
Рассмотрим одну из самых популярных отраслей последних лет. Достижения ИИ просто впечатляют: от разработки вакцины в рекордные сроки до инноваций для автономных транспортных средств. Но стоит взглянуть и на то, каково влияние ИИ на нашу планету.
Жизненный цикл ИИ
Модели искусственного интеллекта развиваются суперлинейно на многих фронтах. Сейчас модели ИИ очень увеличиваются в размерах: Google недавно выпустил DALL-E 2, модель с пятью миллиардами параметров, которая генерирует изображение на основе текста на естественном языке. И они требуют аппаратной инфраструктуры, необходимой для таких удивительных результатов в облаках и исследовательских лабораториях.
Жизненный цикл разработки и развертывания системы ИИ выглядит примерно так:
- Обработка данных;
- Экспериментирование;
- Обучение;
- Завершение.
Ожидается, что ИИ будет ежедневно создавать триллионы прогнозов и обслуживать миллиарды устройств по всему миру. Каждая фаза важна, и ни от одной не стоит отказываться, если мы нацелены на стабильность и постоянство.
В отчете Facebook об устойчивом развитии отмечено, что влияние производства составляет более 50%. Это означает, что всегда есть первоначальные затраты на разработку моделей ИИ даже до этапа разработки. Но теперь разработчики систем получили новую метрику для настройки: постоянство!
Ускорение GPU общего предназначения может значительно повысить энергоэффективность по сравнению с вычислениями на основе CPU. Разработка более специализированных ускорителей ИИ может улучшить и производительность, и постоянство.
Понимание всех деталей работы системы поможет оптимизировать углеродный след систем ИИ. Какие задачи часто повторяются и их необходимо сохранить для быстрого доступа? Дешевле ли перечислить операцию или сохранить ее? Какие типы устройств (например, DRAM или флэш-память) оптимальны для этих систем, и помогут сбалансировать производительность и уменьшить углеродный след?
Есть также фундаментальные моменты, которые нужно просмотреть. К примеру, уменьшение вдвое точности чисел (с 32 бит до 16 бит) может удвоить энергоэффективность с минимальным влиянием на точность модели ML.
Влияние дата-центров
Корпорации стремятся компенсировать свой углеродный след. И один из методов состоит в том, чтобы обеспечить нулевые выбросы углерода для всех операций: за счет использования возобновляемых источников, сокращения выбросов или «покупки» углеродных кредитов.
Мы не рассматриваем сейчас вариант «покупки углеродного кредита», потому что это обычно просто пиар-трюк. Итак, как дата-центры и крупные корпорации могут компенсировать потребление углерода, сохраняя при этом прибыльный бизнес? Ответ – оптимизация для устойчивого вычисления!
Meta делает очень многое в этой области. Здесь описано ее исследование, как можно использовать возобновляемые источники энергии, чтобы оптимизировать питание дата-центров.
К примеру, источники солнечной энергии обеспечивают циклический источник энергии, производя тысячи мегаватт-часов в течение дня, а затем минимальную энергию вечером. Интересно, что это очень похоже на использование дата-центров: больше в течение дня, и меньше – вечером. Поэтому, например, они могут использовать возобновляемые источники энергии в течение дня, а затем переключаться на альтернативные.
Этот подход сосредоточен, прежде всего, на операционных расходах, а не на предыдущих производственных затратах. Чтобы спроектировать дата-центры будущего, важно также учесть первоначальные расходы. Только тогда такие корпорации, как Meta, смогут решить, куда тратить свои ресурсы: возможно лучше сосредоточить усилия на производстве аккумуляторов, а не поддерживать планирование с учетом выбросов углерода в течение всего срока службы аппаратного обеспечения? В общем, это очень непростая проблема.
На самом деле, проектирование, направленное на устойчивость и надежность, будет более выгодным для компаний в долгосрочной перспективе и положительно повлияет на их доходы. «Начальные» затраты на понимание того, как сбалансировать и решить проблему углерода, несомненно, принесут дивиденды корпорациям и, что более важно, нашей планете.
Вычисление для устойчивого развития
Кроме управления возобновляемыми источниками энергии существует много других перспективных подходов к устойчивому вычислению. Разработка надежного аппаратного обеспечения и устранение сбоев аппаратного обеспечения сегодня является особым направлением исследований.
И Google, и Meta недавно заметили любопытное явление частых аппаратных сбоев. Оказалось, что ошибки аппаратного обеспечения, которые, как предполагалось, должны случатся раз на миллион, случались один на тысячу. Понимание источника этих ошибок и того, как их избежать, поможет снизить углеродный след.
Прерывистое вычисление – еще одна перспективная разработка, когда устройства включаются, когда они нужны, и выключаются, когда они не нужны. Но для этого нужно решать некоторые проблемы, в частности, как понимать, когда включать/выключать устройства, как минимизировать время переключения переключателя и т.д.
И последний, но очень важный вопрос: как перерабатывать оборудование, когда его уже не используют? Об этом следует думать уже на ранней стадии разработки устройства. Например, можно ли использовать органический материал для создания аппаратного обеспечения следующего поколения, чтобы сделать прямую переработку в конце срока службы?
Или, может быть, рынок может направлено «переработать» старое оборудование высокого класса на рынки низкого класса? Эти идеи уже рассматриваются в исследовательских лабораториях: хорошо бы, если бы их начали поддерживать крупные корпорации.
Куда дальше
Разработка следующего поколения систем и аппаратного обеспечения с учетом выбросов углерода – очень важный этап в технологической индустрии. Многие фундаментальные проектные решения, возможно, придется пересмотреть и включить в будущие проекты систем. Привлечение к ответственности как крупных, так и малых корпораций важно для нашей планеты, и все начинается с понимания влияния современных технологий и систем на выбросы углерода.