Simon Portegies Zwart, een astrofysicus bij Universiteit Leiden in Nederland, is ecologisch bewust. Hij vliegt bijna nooit meer om beroepsredenen, maar reist liever met de trein. "Ik ben graag milieuvriendelijk door vegetariër te zijn, mijn ecologische voetafdruk te verkleinen, mijn kinderen te vertellen niet te lang te douchen, over te schakelen op hernieuwbare bronnen." Maar toen Portegies Zwart besloot om die veranderingen door te voeren, begon hij ook andere aspecten van zijn ecologische voetafdruk te overwegen.
"Ik ben een zware gebruiker van grote machines en deze computers verbruiken evenveel energie als een kleine stad", legt hij uit. “Ik denk dat ik waarschijnlijk de meest vervuilende persoon in mijn straat ben. Als ik een supercomputer gebruik die evenveel energie kost als 10,000 huishoudens, wie ben ik dan om mijn kinderen of andere mensen te vertellen dat ze 20 minuten niet moeten douchen?”
Terwijl de wereld worstelt met de gevolgen van klimaatverandering, beginnen veel wetenschappers de realiteit van hun koolstofemissies onder ogen te zien. Een groot deel van de focus ligt op vliegreizen voor academische doeleinden, waar onderzoekers te maken krijgen met ongemakkelijke onthullingen. Zo blijkt dat klimaatonderzoekers vaker vliegen dan wetenschappers op andere gebieden. Volgens een studie uit 2020 (Globaal omgeving. Wijziging 65 102184), vliegen klimaatwetenschappers gemiddeld twee tot drie keer per jaar, terwijl andere onderzoekers in die tijd slechts twee keer in het vliegtuig stappen. Maar ook andere wetenschappers vliegen veel. Een studie uit 2019 (omgeving. Onderzoek Let. 14 095001) ontdekte dat professoren aan de Universiteit van Montreal in Canada had tweemaal de jaarlijkse COXNUMX-voetafdruk van de gemiddelde Canadees, waarbij het grootste deel verband hield met beroepsreizen.
Vooral uitstapjes naar academische conferenties vormen een groot deel van het probleem. Wanneer de herfstbijeenkomst van de American Geophysical Union vond plaats in Californië in 2019 de 28,000 afgevaardigden stootten ongeveer 80,000 ton CO uit2 equivalent (tCO2e) heen en terug naar huis reizen. Dit was bijna drie ton per wetenschapper, of de gemiddelde wekelijkse uitstoot van de stad Edinburgh (NATUUR 583 356).
Verder blijkt uit een ander recent Canadees onderzoek, uitgevoerd bij de University of British Columbia, toonde aan dat vliegreizen voor de academische wereld weinig tot geen positieve invloed hebben op productiviteit of professioneel succes (J. Reiniger Prod. 226 959). En natuurlijk, in het licht van de wereldwijde COVID-19-pandemie, zijn de meeste academici gedwongen om online conferenties en workshops over te nemen en te omarmen. Dankzij online-evenementen kon een meer diverse groep afgevaardigden aanwezig zijn, maar er waren ook voordelen voor het milieu. Uit een onderzoek uit 2021 bleek dat 7000 virtuele afgevaardigden op drie grote wetenschappelijke bijeenkomsten, die in 2020 online werden gehouden, dezelfde ecologische voetafdruk hadden als een enkele persoonlijke deelnemer aan dezelfde evenementen in 2019 (Nat. Ondersteunen. 10.1038/s41893-021-00823-2).
Onderzoekers in de natuurkunde hebben ontdekt dat hun computergebruik een groot deel van hun ecologische voetafdruk kan uitmaken - soms zelfs meer dan vliegreizen
Kosmische computerkosten
Hoewel de impact van academische reizen op klimaatverandering onbetwistbaar is, hebben een aantal natuurkundigen de afgelopen jaren ontdekt dat hun computergebruik een groot deel van hun ecologische voetafdruk kan uitmaken - soms zelfs meer dan vliegreizen.
Gewoon vragen Adam Stevens, een astrofysicus aan de University of Western Australia. Samen met collega's heeft hij de totale uitstoot van broeikasgassen door Australische astronomen in 2018-2019 geanalyseerd door 'reguliere activiteiten' zoals reizen, het gebruik van supercomputers en het werken bij grote observatoria. Uit de studie bleek dat de gemiddelde Australische astronoom ongeveer 37 tCO . produceert2e per jaar (nat. Astron. 4 843). Dat is 40% meer dan de gemiddelde Australiër en vijf keer het wereldwijde gemiddelde. De grootste bijdrage hieraan was het gebruik van supercomputers om de enorme hoeveelheden data die door telescopen zijn verzameld te verwerken en kosmologische simulaties uit te voeren. Met ongeveer 15 ton per astronoom liep het op tot bijna vier keer de jaarlijkse uitstoot van vluchten (figuur 1).
In een ander voorbeeld, de aanstaande Gigantische array voor neutrino-detectie (GRAND)-project zal 200,000 antennes gebruiken, verspreid over bergachtige gebieden over de hele wereld, om ultrahoge-energetische neutrino's uit de verre ruimte te detecteren. Vorig jaar schatte het team achter het project de uitstoot van broeikasgassen voor de drie verschillende fasen van het experiment: het prototype, de middenfase en het volledige experiment, dat in de jaren 2030 van start zal gaan. Wat zij "digitale technologieën" noemen - simulaties en gegevensanalyse, gegevensoverdracht en -opslag, en computers en andere elektronische apparaten - zullen een groot deel van de ecologische voetafdruk van het project uitmaken (Astrodeeltjesfysica 131 102587).
In de prototypefase zal naar verwachting 69% van de emissies afkomstig zijn van digitale technologieën, vergeleken met 27% van reizen en 4% van "hardwareapparatuur", zoals de fabricage van de radioantennes. In het middenstadium zullen digitale technologieën 40% van de uitstoot voor hun rekening nemen, terwijl de rest gelijkelijk wordt verdeeld tussen reizen en hardware. Zodra het volledige experiment operationeel is, zal het grootste deel van de uitstoot worden gedeeld tussen hardware (48%) en digitale technologieën (45%).
Wat interessant is, is dat de milieukosten van supercomputing enorm kunnen afhangen van waar de energie vandaan komt om de apparaten van stroom te voorzien. In 2020 de Nederlandse Raad voor Sterrenkunde vroeg Portegies Zwart en een groep andere onderzoekers om de ecologische voetafdruk van de zes aangesloten instituten te analyseren (nat. Astron. 5 1195). Ze schatten dat de gemiddelde astronoom in Nederland in 2019 4.7 tCO . uitstootte2e – veel minder dan in Australië – waarvan slechts 4% afkomstig is van supercomputing.
Floris van der Tak, een astrofysicus uit de Nederlands Instituut voor Ruimteonderzoek die het onderzoek leidde, ziet geen reden waarom Nederlandse astronomen minder supercomputers zouden gebruiken dan hun Australische collega's. De verschillen zijn dus waarschijnlijk te wijten aan verschillen in de energievoorziening. Met name de Nederlandse nationale supercomputerfaciliteit SURFEN produceert geen CO100-uitstoot omdat het gebruik maakt van XNUMX% hernieuwbare stroom opgewekt door wind of zon in Nederland. De weinige emissies die vrijkomen komen van het gebruik van internationale faciliteiten en kleinere Nederlandse supercomputers. Sterker nog, Portegies Zwart kijkt nu altijd of een supercomputer die hij gebruikt op groene stroom draait en zo niet, dan overweegt hij een andere voorziening te gebruiken. Evenzo is het advies van Van der Tak: "Controleer, voordat u om tijd vraagt op een faciliteit, eerst wat voor soort stroom ze gebruiken".
Bron van het probleem
Broeikasgasemissies bij de Max Planck Instituut voor Astronomie in Heidelberg, Duitsland, wijzen op vergelijkbare interlandelijke verschillen. In 2018 stootte elke onderzoeker van het instituut ongeveer 18 tCO . uit2en (nat. Astron. 4 812) – meer dan astronomen in Nederland, maar de helft van hun Australische tegenhangers (figuur 2). Deze emissies waren ook 60% hoger dan de gemiddelde Duitse inwoner en drie keer de Duitse doelstelling voor 2030, wat in lijn is met de Klimaatakkoorden van Parijs.
Ongeveer 29% van de uitstoot van het Max Planck Instituut in 2018 was afkomstig van elektriciteitsverbruik, waarbij computergebruik, met name supercomputers, 75-90% daarvan voor zijn rekening nam. Het belangrijkste verschil tussen Duitsland en Australië was waar de stroom vandaan kwam. In 2018 was ongeveer de helft van de Duitse elektriciteit afkomstig van zonne- en windenergie, terwijl in Australië de overgrote meerderheid werd geproduceerd uit fossiele brandstoffen, voornamelijk steenkool. Dit betekende dat elektriciteit voor computers in Australië 0.905 kg CO . produceerde2 per kilowattuur, terwijl het Max Planck Instituut 0.23 kg CO . uitstootte2 per kilowattuur.
Van der Tak wijst er wel op dat veel van dit werk een paar jaar geleden is gedaan, en dat de wereld verder is gegaan. Zo maken meer kantoren nu gebruik van duurzame stroom. Zoals uit de Nederlandse studie bleek, was iets minder dan een derde (29%) van de CO2019-voetafdruk van de Nederlandse astronomie in 100 afkomstig van het gebruik van elektriciteit, inclusief het aandrijven van lokale computers bij de zes onderzoeksinstituten. Toen draaide de helft van de instituten op groene stroom. Maar sindsdien zijn er nog twee overgestapt op XNUMX% duurzame stroom en van der Tak verwacht dat de zesde de komende twee jaar de overstap zal maken.
Inderdaad, ook in Australië is er het een en ander veranderd. Sinds juli 2020 is een van de drie nationale high-performance computerfaciliteiten van het land, de OzSTAR supercomputer, is overgestapt op 100% hernieuwbare energie die is gekocht van een nabijgelegen windpark. Swinburne University of Technology, die de supercomputer host, beweert dat dit zijn ecologische voetafdruk drastisch zal verminderen, aangezien elektriciteit meer dan 70% van de uitstoot vertegenwoordigde.
Locatie, locatie, locatie
Maar hoe bereken je de uitstoot van de supercomputer die je toevallig gebruikt? Wanneer wiskundige en natuurkundige Loïc Lannelongue vond dat er geen eenvoudig antwoord was, ontwikkelde hij Groene algoritmen. Het is een online tool waarmee onderzoekers de ecologische voetafdruk van hun computergebruik kunnen inschatten.
Lannelongue, gevestigd in de University of Cambridge, UK, herhaalt dat locatie cruciaal is. Het uitvoeren van dezelfde taak op dezelfde hardware in Australië, bijvoorbeeld, zou ongeveer 70 keer meer koolstof uitstoten dan in Zwitserland, dat veel van zijn elektriciteit uit waterkracht haalt. Het onderzoek achter het algoritme (Adv. wetenschap. 8 2100707) laat zien dat een efficiënter rekencentrum snel zijn groene voordeel kan verliezen als het minder hernieuwbare energie gebruikt dan een alternatieve minder efficiënte supercomputer. Hoewel het schatten van de ecologische voetafdruk van een algoritme gebaseerd is op sleutelfactoren zoals hardware, hoe lang de taak duurt en de locatie van het datacenter of de supercomputer, heeft Green Algorithms ook een "pragmatische schaalfactor" (PSF) die het aantal keer dat een berekening in de praktijk wordt uitgevoerd – wat een directe impact heeft op de emissies.
De meeste algoritmen worden inderdaad meerdere keren uitgevoerd – soms zelfs vele honderden keren met verschillende parameters – en het aantal kan sterk variëren, afhankelijk van de taak en het onderzoeksveld (figuur 3). Uit het onderzoek bleek ook dat de uitstoot van computers in Zuid-Afrika, evenals in sommige staten in de VS, vergelijkbaar is met die in Australië. Aan de andere kant is de koolstofintensiteit van elektriciteit in IJsland, Noorwegen en Zweden bijzonder laag.
Met cloud computing is het nu veel makkelijker voor onderzoekers om te kiezen welke supercomputer ze gebruiken. Maar als ze niet kunnen overstappen op een andere machine, zijn er nog andere manieren om hun uitstoot te verminderen. Lannelongue zegt dat alleen het gebruik van de nieuwste versie van je software een enorm verschil kan maken. "Het updaten van versies en het gebruik van geoptimaliseerde software is misschien de volgende grote stap als je niet op locatie kunt handelen, omdat het van invloed is op alles, omdat het de computervereisten vermindert", legt hij uit.
Betere codering
Efficiënt coderen is ook essentieel om computergebruik groener te maken. “Ik zie veel mensen om me heen extreem inefficiënt coderen”, zegt Portegies Zwart. Maar zoals hij uitlegt, als je wat meer tijd neemt en je code optimaliseert, zal deze sneller werken en dus minder uitstoot produceren. Het wisselen van codetalen kan ook een goed idee zijn.
Om dit te testen, voerde Portegies Zwart een experiment uit waarbij hij een algoritme nam en het uitvoerde met een tiental verschillende codeertalen (nat. Astron. 4 819). Hij zegt dat geen van de codes bijzonder geoptimaliseerd was en dat het schrijven ervan even lang duurde. Maar Python, de meest populaire codeertaal onder natuurkundigen, heeft veel meer tijd nodig om te draaien en produceert dus meer emissies dan andere talen, zoals C++ of Fortran. Het probleem is volgens Portegies Zwart dat Python extreem eenvoudig te gebruiken is, maar moeilijk te optimaliseren, terwijl andere talen moeilijker te coderen zijn, maar gemakkelijker te optimaliseren.
Gewoon afstappen van Python is echter niet per se het antwoord. In reactie op het artikel van Portegies Zwart, CNRS onderzoeker Pierre Augier betoogde dat beter onderwijs en het gebruik van Python-compilers net zo effectief zouden kunnen zijn. Augier, een expert in vloeistofdynamica en turbulentie bij de Universiteit van Grenoble-Alpes in Frankrijk, gebruikten beter geoptimaliseerde code en vijf verschillende implementaties van Python om een soortgelijk experiment uit te voeren. Hij ontdekte dat vier van de implementaties sneller waren en minder emissies produceerden dan C++ en Fortran, en voegde eraan toe dat ze ook eenvoudiger te begrijpen en te gebruiken zijn (nat. Astron. 5 334).
"Ik denk niet dat het makkelijker is om naar een andere taal over te stappen, omdat het niet erg moeilijk is om Python correct te leren gebruiken", legt Augier uit. In plaats van zich te concentreren op de te gebruiken codeertaal, stelt hij dat computergebruik en programmeren een groter deel van het natuurkundeonderwijs zouden moeten uitmaken. "We zouden het moeten leren als we studenten zijn, zodra we ons specialiseren in natuurkunde." Portegies Zwart is het ermee eens dat Python efficiënt kan zijn, maar dat strookt volgens hem niet met de werkelijkheid. "Ik bashen Python niet, ik gebruik Python zoals de meeste astronomen dat doen, en dat is niet erg geoptimaliseerd", legt hij uit. Hij denkt dat in plaats van natuurkundigen meer informatica te leren, onderzoeksinstituten voor natuurkunde misschien meer computerexperts in dienst zouden moeten nemen. "We zijn geweldig in natuurkunde, maar een computerwetenschapper besteedde alle tijd die we leerden over natuurkunde aan het leren communiceren met een computer", zegt hij. "Het lijdt geen twijfel dat [zij] beter zullen zijn in programmeren."
Verborgen emissies
Maar het zijn niet alleen simulaties op supercomputers die koolstofintensief kunnen zijn. Kumiko Kotera, van Sorbonne-universiteit in Frankrijk, die medeoprichter was van het GRAND neutrino-project, zegt dat als je kijkt naar de voorspelde emissies van het experiment "je kunt zien dat gegevensopslag en gegevensoverdracht echt kostbaar zijn". Kotera en haar collega's ontdekten dat gegevensopslag en -overdracht ongeveer de helft van de totale jaarlijkse emissies zullen uitmaken in de prototypefase van het experiment, een kwart in de middenfase en meer dan een derde tijdens het volledige experiment (Astrodeeltjes Fys. 131 102587). Ter vergelijking: data-analyse en simulaties zullen tijdens de drie fasen respectievelijk ongeveer 16%, 13% en 7% van de emissies produceren.
De COXNUMX-voetafdruk van gegevensopslag en -overdracht komt voort uit de energiebehoefte van datacenters. Net als bij supercomputers kan dataopslag tot op zekere hoogte worden aangepakt door gebruik te maken van datacenters met lagere emissies. Kotera zegt dat het GRAND-project ook zal kijken naar strategieën om de hoeveelheid gegevens te verminderen. Ze legt uit dat dit waarschijnlijk inhoudt dat we ons bewust moeten zijn van wat er wordt gearchiveerd - "we hoeven niet alles te bewaren" - en manieren moeten vinden om gegevens efficiënt op te schonen.
"Als we de gegevens vrij snel kunnen opschonen, kunnen we waarschijnlijk veel van het volume en de uitstoot verminderen", legt ze uit. "Voor gegevensoverdracht is het lastig omdat het een wereldwijd netwerk is." Maar het opschonen en verkleinen van datavolumes kan nog steeds helpen, en wetenschappers kunnen ook voorzichtig zijn met wat ze overbrengen. Meerdere mensen die herhaaldelijk dezelfde stukjes gegevens over de hele wereld overbrengen, kunnen snel oplopen.
Het team heeft berekend dat de gegevensoverdracht tijdens de vijfjarige prototypefase van GRAND 470 tCO . zal uitstoten2e – vergelijkbaar met ongeveer 270 vluchten van Parijs naar de luchthaven van Dunhuang, in de buurt van de proeflocatie van het prototype in China. De onderzoekers ontdekten zelfs dat het vier keer per jaar verzenden van harde schijven per vliegtuig vele ordes van grootte minder COXNUMX-uitstoot zou opleveren dan het online overbrengen van de gegevens.
Vanwege het gedistribueerde, wereldwijde karakter van datacenters, kan het berekenen van emissies van gegevensopslag en -overdracht lastig zijn. Kotera waarschuwt dat hun cijfers niet precies zijn omdat er veel onbekenden zijn, terwijl Van der Tak niet zeker weet hoeveel gegevensopslag en -overdracht wordt gedekt door de COXNUMX-voetafdrukanalyse van de Nederlandse astronomie, eraan toevoegend dat ze misschien iets moeten bekijken.
Ook deeltjesfysici moeten hun steentje bijdragen. CERN, bijvoorbeeld, produceert jaarlijks ongeveer 100 petabyte aan data. Dit wordt opgeslagen, gedistribueerd en geanalyseerd met behulp van de Wereldwijd LHC Computing Grid (WLCG), een wereldwijd samenwerkingsverband van ongeveer 170 rekencentra in meer dan 40 landen. CERN publiceert nu milieurapporten, waarbij de tweede - vorig jaar gepubliceerd - de energie-efficiëntieverbeteringen beschrijft die bij de LHC zijn doorgevoerd, met name het vermogen om meer gegevens per gebruikte eenheid energie te verzamelen. Gedurende de 20-jarige levensduur van de verbeterde machine, zal deze 10 keer energiezuiniger zijn dan toen de vlaggenschipfaciliteit van CERN oorspronkelijk werd ingeschakeld. Maar het rapport erkent ook dat het niet echt de uitstoot van de WLCG dekt. Het energieverbruik wordt alleen gedetailleerd voor WLCG-faciliteiten die eigendom zijn van of beheerd worden door CERN.
Verander je mentaliteit
Lannelongue zou het fijn vinden als onderzoekers eens meer gingen nadenken over de uitstoot van hun computers, en die mee zouden nemen in hun beslissingen. Een goed voorbeeld is het 's nachts draaien van inefficiënte code en software omdat je de computerbronnen hebt en je thuis in bed gaat liggen, dus het maakt niet uit of het eeuwen duurt. "Dat is prima totdat je zegt dat als ik het efficiënter maak, ik de uitstoot van broeikasgassen zal besparen en mijn ecologische voetafdruk zal verkleinen - dus plotseling is er een stimulans om dat te doen", legt hij uit.
Als het gaat om het GRAND-project, zegt Kotera dat het de bedoeling is dat het experiment simulatiebibliotheken heeft waarmee mensen veelgebruikte simulaties kunnen hergebruiken in plaats van hun eigen simulaties te maken, waardoor wordt voorkomen dat dezelfde gegevens steeds opnieuw worden gereproduceerd. Volgens Kotera is dit gebruikelijk, zelfs bij grote samenwerkingen: verschillende mensen draaien herhaaldelijk identieke simulaties, omdat er geen centrale winkel is. "Het is tegenwoordig zo gemakkelijk om gewoon op een knop te drukken en een simulatie van een week uit te voeren, het resultaat te krijgen en dan te zeggen 'oh, ik had het niet echt nodig'", zegt ze. "Ons doel is om mensen echt aan te moedigen om vooruit te denken over het uitvoeren van simulaties of dit iets is dat ze echt nodig hebben."
De post De enorme ecologische voetafdruk van grootschalige computers verscheen eerst op Natuurkunde wereld.
