Наприклад, за розрахунками, дата-центри у всьому світі споживають більше, ніж 205 терават-годин електроенергії на рік. Це число перевищує річне споживання електроенергії в таких країнах, як Ірландія, Данія, Тайвань або Південна Африка. Крім того, зараз лише 61% населення світу є онлайн, і, за скромними підрахунками, до 2030 року понад 43 мільярди IoT-пристроїв будуть у мережі. 

Прогнозується, що у 2030 році на інформаційно-комунікаційні технології припадатиме від 7% до 20% споживання енергії.

Оскільки технології стають незамінними у нашому житті, створення стабільних обчислювальних систем дозволить не лише покращити їх ефективність, а й матимете позивний вплив на нашу планету. 

Чому це зараз актуально?

Чесно кажучи, останніми роками комп’ютерна галузь виглядає не найкращим чином, якщо говорити про її роль у викидах вуглецю. Технологічні компанії заохочують викидати «старі» технології, щойно з’являються «нові». Ця постійна зміна технологій, наприклад, оновлення мобільних телефонів, створює все більший запас «відходів». Їх дуже важко переробити чи перепродати. 

За останнє десятиліття майнінг криптовалюти став дуже популярним. Але алгоритм proof-of-work споживає значну кількість енергії багатьох пристроїв і це має негативні наслідки. 

Крім того, ще є «хмара» (тобто дата-центри), яка забезпечує майже всі наші повсякденні потреби та допомагає підтримувати зв’язок. І ці гіганти збільшуються, щоб якісно нас обслуговувати: завдяки їм ми можемо зберігати фото, переглядати телевізійні передачі, керувати авіаперевезеннями тощо. 

Вони працюють цілодобово і їхня зупинка негативно вплине на життя багатьох людей. Але їхня робота не надто добре впливає на нашу планету. 

Енергоефективність завжди була тим фактором, на який звертають увагу при розробці нового апаратного забезпечення. Але щоб створити стабільне комп’ютерне середовище, потрібен цілісний підхід до впливу технології на навколишнє середовище  протягом усього терміну її експлуатації: починаючи від виготовлення мікросхем на стадії виробництва і закінчуючи переробленням напівпровідників, коли вони вже не потрібні.

Нещодавно Національний науковий фонд США (NSF) оголосив конкурс на проведення досліджень у цій сфері. А де гроші – там, зазвичай, є та інновації. 

Хто винний?

Можна було б просто вказати на компанії, що займаються криптовалютою та дата-центри. Але результат їхньої діяльності – це лише частина викидів вуглецю. А от викиди від виробництва, транспортування та утилізації наприкінці життєвого циклу речей залишають значно більший вуглецевий слід. 

Ось що виявили дослідники з Гарварду, досліджуючи загальнодоступні корпоративні звіти про викиди вуглецю від AMD, Apple, Google, Huawei, Intel, Microsoft, TSMC та інших: вуглецевий слід зараз більше пов’язаний з капітальними витратами (одноразовими витратами на інфраструктуру та обладнання), а не з виробничими витратами (повторюваними операціями).

Наприклад, викид вуглецю в Apple у 2019 році становив 74% через витрати на виробництво, а через використання апаратного забезпечення – лише 19%. Виробництво інтегрованих схем спричинило 33% викидів вуглецю: це підкреслює необхідність інновацій у цьому процесі.

Спалювання дизельного палива, природного газу та бензину дає лише невелику частку прямих викидів в експлуатаційних витратах дата-центрів. З іншого боку, це значна частка вуглецевого сліду виробництва мікросхем: наприклад, понад 63% викидів від виробництва 12-дюймових плат у TSMC.

Якщо розглянути існування комп’ютерної системи покроково, стає більш зрозумілим, де саме стаються викиди вуглецю: 

• виробництво (включає закупівлю матеріалів, проєктування IC, пакування та складання);
• транспортування (переміщення продукту або обладнання до місця використання);
• використання продукту (використання апаратного забезпечення протягом усього терміну служби, включаючи як статичне, так і динамічне енергоспоживання);
• кінець життєвого циклу (перероблювання та викиди вуглецю в кінці життєвого циклу, потенційно для повторного використання). 

Схоже, що є певна суперечність між розробкою нового обладнання для кращої продуктивності та проєктуванням обладнання в екологічний спосіб. Однак це не обов’язково так: обчислювальна індустрія так довго отримувала вигоду від закону Мура. Багато оптимізацій у різних поколіннях комп’ютерів були результатом масштабування технологій.

Зараз ситуація змінилась, але багато можливостей все ще “приховані” у переосмисленні традиційних архітектурних технік з точки зору стабільності та надійності.

ШІ (вуглецевий слід)

Розгляньмо одну з найпопулярніших галузей останніх років. Досягнення ШІ просто вражають: від розробки вакцини в рекордні терміни до інновацій для автономних транспортних засобів. Але варто поглянути і на те, який вплив ШІ на нашу планету. 

Життєвий цикл ШІ

Моделі штучного інтелекту розвиваються суперлінійно на багатьох фронтах. Зараз моделі ШІ дуже збільшуються в розмірах: Google нещодавно випустив DALL-E 2, модель із 5 мільярдами параметрів, яка генерує зображення на основі тексту природною мовою. І вони вимагають апаратної інфраструктури, необхідної для таких дивовижних результатів у “хмарах” та в дослідницьких лабораторіях.

Життєвий цикл розробки та розгортання системи ШІ виглядає приблизно так:

• Обробка даних;
• Експериментування;
• Навчання;
• Завершення. 

Очікується, що ШІ щодня створюватиме трильйони прогнозів і обслуговуватиме мільярди пристроїв по всьому світу. Кожна фаза важлива, і від жодної не варто відмовлятись, якщо ми націлені на стабільність та сталість. 

У звіті Facebook про сталий розвиток зазначено, що вплив виробництва становить понад 50%. Це означає, що завжди є початкові витрати на розробку моделей ШІ навіть до етапу розробки. Але тепер розробники систем тепер мають нову метрику для налаштування: сталість!

Прискорення GPU загального призначення може значно підвищити енергоефективність у порівнянні з обчисленнями на основі CPU. Розробка більш спеціалізованих прискорювачів ШІ може покращити і продуктивність, і сталість.

Розуміння усіх деталей роботи системи може допомогти оптимізувати вуглецевий слід систем ШІ. Які завдання часто повторюються і їх потрібно зберегти для швидкого доступу? Чи дешевше перерахувати операцію, чи зберегти її? Які типи пристроїв (наприклад, DRAM або флешпам’ять) є оптимальними для цих систем, і допоможуть збалансувати продуктивність і зменшити вуглецевий слід?

Є також фундаментальні моменти, які необхідно переглянути. Наприклад, зменшення вдвічі точності чисел (з 32 біт до 16 біт) може подвоїти енергоефективність з мінімальним впливом на точність моделі ML. 

Вплив дата-центрів

Корпорації прагнуть компенсувати свій вуглецевий слід. І один з методів полягає у тому, щоб забезпечити нульові викиди вуглецю для всіх операцій: коштом використання відновлюваних джерел, скорочення викидів або «купівлі» вуглецевих кредитів.

Не розглядаймо зараз варіант «купівлі вуглецевого кредиту», бо це зазвичай просто піар-трюк. Отже, як дата-центри та великі корпорації можуть компенсувати споживання вуглецю, зберігаючи при цьому прибутковий бізнес? Відповідь – оптимізація для сталого обчислення!

Meta робить дуже багато у цій галузі. Ось тут описано її дослідження, як можна використовувати відновлювані джерела енергії, щоб оптимізувати живлення дата-центрів.

Наприклад, джерела сонячної енергії забезпечують циклічне джерело енергії, виробляючи тисячі мегават-годин протягом дня, а потім мінімальну енергію ввечері. Цікаво, що це дуже схоже на використання дата-центрів: більше протягом дня, і менше – увечері. Тому, наприклад, вони можуть послуговуватись відновлюваними джерелами енергії протягом дня, а потім перемикатися на альтернативні.

Цей підхід зосереджений насамперед на операційних витратах, а не на попередніх виробничих витратах. Щоб спроєктувати дата-центри майбутнього, важливо врахувати початкові витрати також. Лише тоді такі корпорації, як Meta, зможуть вирішити, куди витрачати свої ресурси: можливо, краще зосередити зусилля на виробництві акумуляторів, а не підтримувати планування з урахуванням викидів вуглецю протягом усього терміну служби апаратного забезпечення? Загалом це дуже непроста проблема.

Насправді проєктування, спрямоване на стійкість і надійність, буде більш вигідним для компаній у довгостроковій перспективі та позитивно вплине на їхні прибутки.

«Початкові» витрати на розуміння того, як збалансувати та розв’язати проблему вуглецю, безсумнівно, принесуть дивіденди корпораціям і, що важливіше, нашій планеті.

Обчислення для сталого розвитку

Окрім управління відновлюваними джерелами енергії, існує багато інших перспективних підходів до сталого обчислення.

Розробка надійного апаратного забезпечення та усунення збоїв апаратного забезпечення сьогодні є окремим напрямом досліджень. І Google, і Meta нещодавно помітили цікаве явище частих апаратних збоїв. Виявилось, що помилки апаратного забезпечення, які, як передбачалося, мали бути раз на мільйон, траплялися раз на тисячу. Розуміння джерела цих помилок і того, як їх уникнути, допоможе зменшити вуглецевий слід.

Переривчасте обчислення — ще одна перспективна розробка, коли пристрої вмикаються, коли вони потрібні, і вимикаються, коли вони не потрібні. Але для цього потрібно розв’язувати деякі проблеми, зокрема, як розуміти, коли вмикати/вимикати пристрої, як мінімізувати час для перемикання перемикача тощо. 

І останнє, але дуже важливе питання: як переробляти обладнання, коли його уже не використовують. Про це варто думати уже на ранній стадії розробки пристрою. Наприклад, чи можна використовувати органічний матеріал для створення апаратного забезпечення наступного покоління, щоб уможливити пряму перероблення в кінці терміну служби?

Або, можливо, ринок може спрямовано «переробити» старе обладнання високого класу на ринки низького класу? Ці ідеї уже розглядаються у дослідницьких лабораторіях: добре було б, якби їх почали підтримувати великі корпорації.

Куди далі

Розробка наступного покоління систем і апаратного забезпечення з урахуванням викидів вуглецю – дуже важливий майбутній етап у технологічній індустрії.

Багато фундаментальних проєктних рішень, можливо, доведеться переглянути та включити в майбутні проєкти систем. Залучення до відповідальності як великих, так і малих корпорацій є важливим для нашої планети, і все починається з розуміння впливу сучасних технологій і систем на викиди вуглецю.