用“绿色算法”测量电脑的碳足迹

经过|5月3日,2021年

一个新的开源平台允许科学家轻松测量其计算的碳足迹。

图像信用:Markus Spiske On Ofleplash

当我们被要求考虑减少温室气体排放时,我们会想到什么策略?转向可再生能源?消除我们对碳基燃料的依赖?少吃肉吗?所有这些都是可以做到这一点的直观例子。

然而,随着我们每年产生的计算能力和数据量持续增长,它们对碳排放的贡献也在增加,尽管可能是以一种不那么直接的方式。“例如,与汽车非常明显的碳排放相比,计算机对环境的影响要抽象得多,”剑桥大学人工智能和医学博士研究生Loïc Lannelongue说。冰箱、洗碗机、电视、汽车等,所有这些设备都在宣扬它们的低能源需求和可持续性:成为(或声称是)环境友好型现在是一个广告宣传活动的关键要素-在很多情况下也是法律要求。”

由于高性能计算的发展,许多重要的科学里程碑已经实现;然而,它们所产生的环境影响没有得到充分的重视。

数据中心通过电力消耗增加了碳排放,这既包括为计算机提供计算动力,也包括为长期数据存储提供动力,估计产生了100兆吨的CO2每年的排放量-类似于美国航空捐款。二次环境影响与计算机硬件的原材料的提取和处置是另一个重要问题。“占消费者设备总环境影响的75%左右,来自生产[他们],”Lannelongue增加了。“因此,保持[所有]设备更长的重要性。”

在进行计算的研究人员和最终结果之间也存在脱节。兰尼斯格说:“对许多科学家来说,计算时间实际上是免费的,他们通常可以使用大型机构的服务器或强大的计算机,而看不到电费账单。”有时这会导致过度使用和资源浪费。考虑到环境成本将打破这种‘免费计算’的幻想,并将帮助我们承认我们对人为气候紧急情况的贡献。”

问题是,很少的研究进入了决定通过计算贡献的温室气体的准确性。“即使是想要估计他们的碳足迹的科学家,直到最近这一点难以为每个硬件组件的环境影响做出多难,所以对环境的影响进行了广泛的研究,”他补充道。“没有数据,问题大多被忽略了,这是一种动机的绿色算法项目。”

一项新的研究发表在先进的科学,Lannelongue和他的同事们由Michael Inouye教授领导,已经开发出一个开源工具来估算任何计算任务的碳足迹,如数据中心中的笔记本电脑或服务器。

他解释说:“我们通过估算所需的能量,然后再研究产生这些能量所排放的温室气体来估算。”“起初,这看起来很难做到,但我们将重要参数归结为一些容易理解的概念:算法运行多长时间,使用什么硬件(CPU, GPU,内存),以及计算机基于哪个国家。然后科学家可以简单地把这些插入在线计算器,它将告诉他们他们工作的估计碳足迹,在CO克2等价的。”

该计算器还将结果与驾驶或飞行进行比较,并显示一棵树需要多少个月才能消除这么多二氧化碳2从大气中。兰尼斯格表示:“我们将这个度量称为‘树月’。

自由可用的平台对本集团非常重要,因为估计这些数字的主要挑战之一是缺乏数据。因此,消除任何障碍或摩擦源来帮助科学家更好地了解他们工作的环境影响。“用户相信估计的碳足迹以及了解结果来自的估计碳足迹也很重要,这就是为什么所有代码​​和数据都是开源的原因,”lannelongue添加。

该团队认为,绿色算法将有助于提高所需的意识,这又可以转化为更大的意识和减少的占地面积。“我们发现大多数计算科学家曾经关心这个问题,曾经意识到它,并且简单地向他们展示了他们的碳冲击的程度走向不断变化的习惯,”Lannelongue说。

Jon Kragskow是英国曼彻斯特大学化学系的一名博士生,他并没有参与这项研究。“从我自己的程序输入数据后,我真的对我的足迹感到惊讶,因为我以前从来没有考虑过这一点!””他说。“作为科学家,我们必须开始意识到计算机代码对环境的影响,因为现在学习编程和在便宜但功能强大的系统上执行代码比以往任何时候都要容易。谢天谢地,这是一种很容易计算自己研究成本的轻量级方法,我认为这样的分析一定会变得很普遍。”

在他们的论文中,以及他们的网站,兰尼斯格和他的同事们列出了影响一项任务对环境影响的因素以及减少环境影响的具体方法。例如,天气预报是通过复杂地模拟不同的大气/海洋相互作用(简单地说)来进行的,因此研究人员模拟了一种被称为ICOsahedral Non-hydrostatic (ICON)的常用算法的碳足迹,该算法的预测被30多个国家的气象服务机构使用。

他们估计,每天,图标释放大约2.5吨CO2相当于驾驶13 215 km或从纽约飞往旧金山四次。在碳封存方面,图标天气预报的每一天的排放量相当于2523个月(即,一棵树需要210岁以吸收这种碳量)。为了帮助使诸如这些变得更可持续的过程的解决方案包括限制算法运行的次数,将计算移动到具有较低碳强度的更高效的数据中心,并有助于碳抵消措施来补偿碳足迹的碳偏移措施。

“这项技术和高功率计算不会在任何地方进行,”Lannelongue说:“这是一件好事。生物学,医学甚至解决气候变化,潜在的益处是巨大的。所以问题是我们如何尽可能地将计算视为可持续性,以及我们如何确保预期的利益超过环境价格对于每个项目,不仅整体?

他补充说:“[绿色算法]可以激励透明的机构对其影响,投资更环保的设施,并促进更可持续的做法。“我们希望这项工作是一个跨阶梯,旨在使研究项目中的碳足迹的确认。”

参考:Loïclannelongue,杰森格雷利,迈克尔inouye,绿色算法:量化计算的碳足迹,《高级科学》(2021年)。DOI: 10.1002 / advs.202100707