Что приходит на ум, когда вы думаете о своем углеродном следе? Наверное, вождение и полет. Возможно, домашнее потребление энергии или ежедневные поставки Amazon. Но как насчет просмотра Netflix или встреч Zoom? Вы когда-нибудь задумывались об углеродном следе кремниевых чипов в вашем телефоне, умных часах или бесчисленном множестве других устройств в вашем доме?
Каждый аспект современных вычислений, от самого маленького чипа до самого большого центра обработки данных, имеет цену за выбросы углерода. На протяжении большей части века технологическая индустрия и область вычислений в целом были сосредоточены на создании меньших, более быстрых и более мощных устройств, но лишь немногие учитывали их общее воздействие на окружающую среду.
Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук им. Джона А. Полсона (SEAS) пытаются это изменить.
«В течение следующего десятилетия спрос, количество и типы устройств будут только расти», - сказал Удит Гупта, доктор философии. кандидат компьютерных наук в SEAS. «Мы хотим знать, какое влияние это окажет на окружающую среду, и как мы, как отрасль, должны думать о том, как мы применяем более устойчивые методы».
Гупта вместе с Гу-Ён Вей, профессором электротехники и информатики Роберта и Сюзанны, и Дэвидом Бруксом, профессором компьютерных наук семьи Хейли, представят доклад об экологическом следе вычислений на Международном симпозиуме IEEE по Архитектура высокопроизводительного компьютера - 3 марта 2021 года.
Исследование SEAS является частью сотрудничества с Facebook, где Гупта проходит стажировку, и Университетом штата Аризона.
Команда не только исследовала все аспекты вычислений, от архитектуры микросхем до проектирования центра обработки данных, но и составила карту всего срока службы устройства, от производства до утилизации, чтобы определить этапы, на которых происходит наибольшее количество выбросов.
Команда обнаружила, что большая часть выбросов, связанных с современным мобильным оборудованием и оборудованием для центров обработки данных, происходит от производства оборудования и инфраструктуры.
«Большое внимание было уделено тому, как мы сокращаем количество энергии, потребляемой компьютерами, но мы обнаружили, что также очень важно подумать о выбросах от простого создания этих процессоров», - сказал Брукс. «Если производство действительно важно для выбросов, можем ли мы разработать более совершенные процессоры? Можем ли мы снизить сложность наших устройств, чтобы снизить производственные выбросы?»
Возьмем, к примеру, дизайн микросхемы.
Современные чипы оптимизированы по размеру, производительности и времени автономной работы. Типичный чип состоит из кремния размером около 100 квадратных миллиметров и содержит миллиарды транзисторов. Но в любой момент времени используется только часть этого кремния. Фактически, если бы все транзисторы были задействованы одновременно, устройство исчерпало бы срок службы батареи и перегрелось. Этот так называемый темный кремний улучшает производительность устройства и время автономной работы, но он крайне неэффективен, если учесть углеродный след, который идет на производство чипа.
«Вы должны спросить себя, каково влияние этой дополнительной производительности на углерод», - сказал Вэй. «Темный кремний обеспечивает повышение энергоэффективности, но какова стоимость производства? Есть ли способ разработать более компактный и умный чип, который использует весь доступный кремний? Это действительно сложная, интересная и захватывающая проблема».
С такими же проблемами сталкиваются центры обработки данных. Сегодня на центры обработки данных, площадь некоторых из которых составляет несколько миллионов квадратных футов, приходится 1 процент мирового потребления энергии, и ожидается, что эта цифра будет расти.
Поскольку облачные вычисления продолжают развиваться, решения о том, где запускать приложения - на устройстве или в центре обработки данных, - принимаются на основе производительности и времени автономной работы, а не выбросов углекислого газа.
«Нам нужно спросить, что экологичнее, запуск приложений на устройстве или в центре обработки данных», - сказал Гупта. «Эти решения должны быть оптимизированы для глобальных выбросов углерода с учетом характеристик приложений, эффективности каждого аппаратного устройства и изменения энергосистем в течение дня».
Исследователи также призывают промышленность взглянуть на химические вещества, используемые в производстве.
Добавление воздействия на окружающую среду к параметрам вычислительного дизайна требует значительного культурного сдвига на всех уровнях области, от студентов бакалавриата до руководителей.
С этой целью Брукс стал партнером Embedded EthiCS, гарвардской программы, которая включает философов непосредственно в курсы информатики, чтобы научить студентов думать об этических и социальных последствиях своей работы. Этой весной Brooks включает модуль Embedded EthiCS по вычислительной устойчивости в COMPSCI 146: Computer Architecture.
Исследователи также надеются сотрудничать с преподавателями экологических наук и инженерии SEAS и Центром окружающей среды Гарвардского университета, чтобы изучить, как внести изменения на политическом уровне.
«Цель этого документа - повысить осведомленность о углеродном следе, связанном с вычислениями, и бросить вызов отрасли, чтобы добавить углеродный след к списку показателей, которые мы учитываем при разработке новых процессов, новых вычислительных систем, новое оборудование и новые способы использования устройств. «Нам нужно, чтобы это было основной целью развития вычислительной техники в целом», - сказал Вэй.