Simon Portegies Zwart, bir astrofizikçi Leiden Üniversitesi Hollanda'da ekolojik olarak bilinçlidir. Artık profesyonel nedenlerle neredeyse hiç uçmuyor, bunun yerine trenle seyahat etmeyi tercih ediyor. “Vejetaryen olarak, karbon ayak izimi azaltmaya çalışarak, çocuklarıma çok uzun süre duş almamalarını söyleyerek, yenilenebilir kaynaklara geçerek çevre dostu olmayı seviyorum.” Ancak Portegies Zwart bu değişiklikleri yapmaya karar verdiğinde, karbon ayak izinin diğer yönlerini de düşünmeye başladı.
“Büyük makinelerin yoğun bir kullanıcısıyım ve bu bilgisayarlar küçük bir şehir kadar enerji tüketiyor” diye açıklıyor. “Sanırım muhtemelen sokağımdaki en kirletici insan benim. 10,000 ev kadar enerji tüketen bir süper bilgisayar çalıştırırsam, o zaman kimim ki çocuklarıma veya diğer insanlara 20 dakika duş almamaları gerektiğini söyleyeceğim?”
Dünya iklim değişikliğinin sonuçlarıyla boğuşurken, birçok bilim insanı karbon emisyonlarının gerçekleriyle yüzleşmeye başladı. Odak noktasının çoğu, araştırmacıların rahatsız edici ifşaatlarla karşı karşıya olduğu akademik amaçlar için hava yolculuğu üzerinedir. Örneğin, iklim değişikliği araştırmacılarının diğer alanlardaki bilim insanlarından daha sık uçtuğu ortaya çıktı. 2020 tarihli bir araştırmaya göre (Küre. Çevre. Değiştirmek 65 102184), iklim bilimcileri yılda ortalama iki ila üç kez uçarken, diğer araştırmacılar bu süre zarfında sadece iki kez uçağa biniyor. Ancak diğer bilim adamları da çok uçuyor. Bir 2019 çalışması (Çevre. Araş. Lett. 14 095001) profesörlerin bulduğunu Montreal Üniversitesi Kanada'da ortalama bir Kanadalının yıllık karbon ayak izinin iki katı vardı ve farkın çoğu profesyonel seyahatle bağlantılıydı.
Özellikle akademik konferanslara yapılan geziler sorunun büyük bir bölümünü oluşturmaktadır. Güz Toplantısı ne zaman Amerikan Jeofizik Birliği 2019'da Kaliforniya'da gerçekleşti 28,000 delege yaklaşık 80,000 ton COXNUMX yaydı2 eşdeğer (tCO2e) oraya seyahat etmek ve daha sonra eve geri dönmek. Bu, bilim adamı başına neredeyse üç ton veya Edinburgh şehrinin haftalık ortalama emisyonuydu (Tabiat 583 356).
Ayrıca, yakın zamanda Kanada'da yapılan bir başka çalışma University of British Columbia, akademi için hava yolculuğunun üretkenlik veya profesyonel başarı üzerinde çok az veya hiç olumlu etkisi olmadığını gösterdi (J. Temizleyici Ürün. 226 959). Ve elbette, küresel COVID-19 pandemisi ışığında, çoğu akademisyen çevrimiçi konferansları ve çalıştayları benimsemeye ve benimsemeye zorlandı. Çevrimiçi etkinlikler, daha çeşitli delegelerin katılmasına izin verdi, ancak çevresel faydalar da oldu. 2021'de yapılan bir araştırma, 7000'de çevrimiçi olarak düzenlenen üç büyük bilimsel toplantıda 2020 sanal delegenin, 2019'da aynı etkinliklere şahsen katılan tek bir katılımcıyla aynı karbon ayak izine sahip olduğunu buldu (Nat. Sürdürmek. 10.1038/s41893-021-00823-2).
Fizikte çalışan araştırmacılar, bilgisayar kullanımının karbon ayak izinin büyük bir bölümünü, hatta bazen uçak yolculuğundan bile fazlasını oluşturduğunu keşfettiler.
Kozmik bilgi işlem maliyetleri
Akademik seyahatin iklim değişikliği üzerindeki etkisi tartışılmaz olsa da, son birkaç yılda birkaç fizikçi bilgisayar kullanımının karbon ayak izlerinin büyük bir bölümünü, hatta bazen hava yolculuğundan bile fazlasını oluşturduğunu keşfetti.
Sadece sor Adam Stevens, bir astrofizikçi Batı Avustralya Üniversitesi. Meslektaşlarıyla birlikte, Avustralyalı astronomların 2018-2019 yılları arasında seyahat etme, süper bilgisayar kullanma ve büyük gözlemevlerinde çalışma gibi “düzenli faaliyetlerden” kaynaklanan toplam sera gazı emisyonlarını analiz etti. Çalışma, ortalama bir Avustralyalı astronomun yaklaşık 37 tCOXNUMX ürettiğini buldu.2e yılda (Nat. astron. 4 843). Bu, ortalama Avustralya'dan %40 daha fazla ve küresel ortalamanın beş katı. Buna en büyük katkı, teleskoplar tarafından toplanan muazzam miktarda veriyi işlemek ve kozmolojik simülasyonlar gerçekleştirmek için süper bilgisayarların kullanılmasıydı. Gökbilimci başına yaklaşık 15 tonla, uçuşlardan kaynaklanan yıllık emisyonlarının neredeyse dört katına çıktı (şekil 1).
Başka bir örnekte, yaklaşan Nötrino Tespiti için Dev Dizi (GRAND) projesi, derin uzaydan kaynaklanan ultra yüksek enerjili nötrinoları tespit etmek için dünyanın dört bir yanındaki dağlık bölgelere yayılmış 200,000 anten kullanacak. Geçen yıl, projenin arkasındaki ekip, deneyin üç farklı aşaması için sera gazı emisyonlarını tahmin etti: prototip, orta ölçekli aşama ve 2030'larda başlayacak olan tam ölçekli deney. “Dijital teknolojiler” olarak adlandırdıkları şey – simülasyonlar ve veri analizi, veri aktarımı ve depolama ve bilgisayarlar ve diğer elektronik cihazlar – projenin karbon ayak izinin büyük bir bölümünü oluşturacaktır (Astropartikül Fiziği 131 102587).
Prototip aşamasında emisyonların %69'unun dijital teknolojilerden, %27'sinin seyahatten ve %4'ünün radyo antenlerinin üretimi gibi “donanım ekipmanından” olması bekleniyor. Orta aşamada, dijital teknolojiler emisyonların %40'ını oluşturacak ve geri kalanı seyahat ve donanım arasında eşit olarak bölünecek. Tam deneme çalışmaya başladığında emisyonların çoğu donanım (%48) ve dijital teknolojiler (%45) arasında paylaşılacaktır.
İlginç olan şu ki, süper hesaplamanın çevresel maliyeti, büyük ölçüde cihazlara güç sağlayacak enerjinin nereden geldiğine bağlı olabilir. 2020 yılında Hollanda Astronomi Konseyi Portegies Zwart ve bir grup başka araştırmacıdan altı üye enstitüsünün karbon ayak izini analiz etmelerini istedi (Nat. astron. 5 1195). 2019'da Hollanda'daki ortalama astronomun 4.7 tCO saldığını tahmin ettiler.2e – Avustralya'dakinden çok daha az – bunun sadece %4'ü süper bilgi işlemden geliyor.
Floris van der Tak, bir astrofizikçi Hollanda Uzay Araştırmaları Enstitüsü Araştırmayı yöneten kişi, Hollandalı gökbilimcilerin Avustralyalı meslektaşlarından daha az süper bilgisayar kullanmaları için hiçbir neden görmüyor. Bu nedenle, farklılıklar muhtemelen enerji arzındaki farklılıklardan kaynaklanmaktadır. Özellikle, Hollanda ulusal süper bilgi işlem tesisi SÖRF Hollanda'da rüzgar veya güneş tarafından üretilen %100 yenilenebilir enerji kullandığı için herhangi bir karbon emisyonu üretmez. Serbest bırakılan birkaç emisyon, uluslararası tesislerin ve daha küçük Hollandalı süper bilgisayarların kullanılmasından kaynaklanmaktadır. Aslında, Portegies Zwart şimdi her zaman kullandığı bir süper bilgisayarın yeşil enerjiyle çalışıp çalışmadığını kontrol ediyor ve değilse, farklı bir tesis kullanmayı düşünüyor. Benzer şekilde, van der Tak'ın tavsiyesi “bir tesiste süre istemeden önce, ne tür bir güç kullandıklarını kontrol edin”.
Sorunun kaynağı
Sera gazı emisyonları Heidelberg'deki Max Planck Astronomi Enstitüsü, Almanya, benzer ülkeler arası farklılıkları vurgulayın. 2018'de enstitüdeki her araştırmacı yaklaşık 18 tCO saldı2ve (Nat. astron. 4 812) – Hollanda'daki gökbilimcilerden daha fazla, ancak Avustralyalı meslektaşlarının yarısı kadar (şekil 2). Bu emisyonlar aynı zamanda ortalama bir Alman vatandaşından %60 daha yüksek ve Almanya'nın 2030 hedefinin üç katıydı. Paris İklim Anlaşmaları.
Max Planck Enstitüsü'nün 29'deki emisyonlarının yaklaşık %2018'u elektrik tüketiminden kaynaklandı ve bunun %75-90'ını oluşturan bilgi işlem, özellikle süper bilgi işlem. Almanya ve Avustralya arasındaki temel fark, gücün nereden geldiğiydi. 2018'de Almanya'nın elektriğinin yaklaşık yarısı güneş ve rüzgardan sağlanırken, Avustralya'da büyük çoğunluğu başta kömür olmak üzere fosil yakıtlardan üretildi. Bu, Avustralya'da bilgi işlem için elektriğin 0.905 kg COXNUMX ürettiği anlamına geliyordu.2 Max Planck Enstitüsü 0.23 kg COXNUMX yayarken, kilovat saat başına2 kilovat saat başına.
Van der Tak, bu çalışmaların çoğunun birkaç yıl önce yapıldığına ve dünyanın ilerlediğine işaret ediyor. Örneğin artık daha fazla ofis yenilenebilir enerji kullanıyor. Hollanda araştırmasının bulduğu gibi, Hollanda astronomisinin 29'daki karbon ayak izinin üçte birinden azı (%2019), altı araştırma enstitüsünde yerel hesaplamaya güç sağlamak da dahil olmak üzere elektrik kullanımından geldi. O zamanlar enstitülerin yarısı yeşil elektrikle çalışıyordu. Ancak o zamandan beri, ikisi daha %100 yenilenebilir enerjiye geçti ve van der Tak altıncının önümüzdeki iki yıl içinde geçiş yapmasını bekliyor.
Nitekim Avustralya'da da işler değişti. Temmuz 2020'den bu yana ülkenin üç ulusal yüksek performanslı bilgi işlem tesisinden biri olan ÖzSTAR süper bilgisayar, yakındaki bir rüzgar çiftliğinden satın alınan %100 yenilenebilir enerjiye geçti. Swinburne Teknoloji Üniversitesisüper bilgisayara ev sahipliği yapan , elektrik emisyonların %70'inden fazlasını temsil ettiği için bunun karbon ayak izini önemli ölçüde azaltacağını iddia ediyor.
Yer, yer, yer
Ama kullanmakta olduğunuz süper bilgisayarın emisyonlarını nasıl hesaplayabilirsiniz? Matematikçi ve fizikçi ne zaman Loïc Lannelonge kolay bir cevap olmadığını buldu, geliştirdi Yeşil Algoritmalar. Araştırmacıların bilgisayarlarının karbon ayak izini tahmin etmelerini sağlayan çevrimiçi bir araçtır.
Lannelongue, University of Cambridge, İngiltere, konumun anahtar olduğunu yineliyor. Örneğin, Avustralya'da aynı donanım üzerinde aynı görevi yürütmek, elektriğinin çoğunu hidroelektrikten alan İsviçre'den yaklaşık 70 kat daha fazla karbon salacaktır. Algoritmanın arkasındaki araştırma (reklam bilim. 8 2100707), daha verimli bir bilgi işlem merkezinin, daha az verimli alternatif bir süper bilgisayardan daha az yenilenebilir enerji kullanması durumunda yeşil avantajını hızla kaybedebileceğini gösteriyor. Herhangi bir algoritmanın karbon ayak izini tahmin ederken, donanım, görevin ne kadar sürdüğü ve veri merkezinin veya süper bilgisayarın konumu gibi temel faktörlere dayandırılırken, Yeşil Algoritmalar ayrıca sayısını tahmin eden bir "pragmatik ölçeklendirme faktörüne" (PSF) sahiptir. Emisyonlar üzerinde doğrudan bir etkisi olan pratikte bir hesaplamanın yapıldığı zamanlar.
Aslında, çoğu algoritma birden çok kez çalıştırılır - bazen farklı parametrelerle yüzlerce kez bile - ve sayı göreve ve araştırma alanına bağlı olarak büyük ölçüde değişebilir (şekil 3). Araştırma ayrıca Güney Afrika'daki ve ABD'deki bazı eyaletlerdeki bilgisayar emisyonlarının Avustralya'ya benzer olduğunu buldu. Öte yandan İzlanda, Norveç ve İsveç'te elektriğin karbon yoğunluğu özellikle düşüktür.
Bulut bilişim sayesinde araştırmacıların hangi süper bilgisayarı kullanacaklarını seçmeleri artık çok daha kolay. Ancak farklı bir makineye geçemezlerse, emisyonlarını azaltmanın başka yolları da var. Lannelonge, yalnızca yazılımınızın en son sürümünü kullanmanın büyük bir fark yaratabileceğini söylüyor. "Sürümleri güncellemek ve optimize edilmiş yazılımları kullanmak, yerinde hareket edemiyorsanız belki de bir sonraki büyük adım olabilir, çünkü bu her şeyi etkileyecek, çünkü bilgi işlem gereksinimlerini azaltacaktır" diye açıklıyor.
Daha iyi kodlama
Verimli kodlama, bilgi işlemi daha çevreci hale getirmek için de hayati önem taşır. Portegies Zwart, "Etrafımda son derece verimsiz kod yazan birçok insan görüyorum" diyor. Ancak açıkladığı gibi, biraz daha fazla zaman alır ve kodunuzu optimize ederseniz, daha hızlı çalışacak ve böylece daha az emisyon üretecektir. Kodlama dillerini değiştirmek de iyi bir fikir olabilir.
Bunu test etmek için Portegies Zwart, bir algoritma aldığı ve yaklaşık bir düzine farklı kodlama dili kullanarak çalıştırdığı bir deney yaptı (Nat. astron. 4 819). Kodların hiçbirinin özellikle optimize edilmediğini ve her birinin yazılmasının benzer miktarda zaman aldığını söylüyor. Ancak fizikçiler arasında en popüler kodlama dili olan Python'un çalışması çok daha uzun sürer ve bu nedenle C++ veya Fortran gibi diğer dillerden daha fazla emisyon üretir. Portegies Zwart'a göre sorun, Python'un kullanımı son derece kolay, ancak optimize edilmesi zor, diğer dillerin kodlanması daha zor, ancak optimize edilmesi daha kolay.
Bununla birlikte, basitçe Python'dan uzaklaşmak mutlaka cevap değildir. Portegies Zwart'ın makalesine yanıt olarak, CNRS araştırmacı Pierre Augier daha iyi eğitimin ve Python derleyicilerinin kullanımının da aynı derecede etkili olabileceğini savundu. Augier, akışkanlar dinamiği ve türbülans konusunda uzmandır. Grenoble Alpleri Üniversitesi Fransa'da benzer bir deneyi yürütmek için daha iyi optimize edilmiş kod ve Python'un beş farklı uygulamasını kullandı. Uygulamalardan dördünün daha hızlı olduğunu ve C++ ve Fortran'dan daha az emisyon ürettiğini buldu ve bunların anlaşılması ve kullanılmasının daha basit olduğunu da ekledi (Nat. astron. 5 334).
Augier, "Farklı bir dile geçmenin daha kolay olduğunu düşünmüyorum çünkü Python'u doğru kullanmayı öğrenmek çok zor değil," diye açıklıyor. Hangi kodlama dilinin kullanılacağına odaklanmak yerine, bilgisayar ve programlamanın fizik eğitiminin daha büyük bir parçası olması gerektiğini savunuyor. “Öğrenci olduğumuzda, fizikte uzmanlaştığımız anda öğrenmeliyiz.” Portegies Zwart, Python'un verimli olabileceğini kabul ediyor, ancak bunun gerçeği yansıtmadığını söylüyor. "Python'u eleştirmiyorum, Python'u çoğu astronomun yaptığı gibi kullanıyorum ve bu çok yüksek düzeyde optimize edilmiş değil" diye açıklıyor. Fizikçilere daha fazla bilgisayar öğretmek yerine, belki de fizik araştırma enstitülerinin daha fazla bilgisayar uzmanı çalıştırması gerektiğini düşünüyor. "Fizikte harikayız, ancak bir bilgisayar bilimcisi, fizik hakkında öğrendiğimiz tüm zamanı bir bilgisayarla nasıl iletişim kuracağımızı öğrenmek için harcadı" diyor. “[Onların] programlamada daha iyi olacaklarına şüphe yok.”
Gizli emisyonlar
Ancak karbon yoğun olabilen sadece süper bilgisayar simülasyonları değildir. Kumiko Kotera, Dan Fransa'daki Sorbonne ÜniversitesiGRAND nötrino projesinin kurucularından olan , deneyin tahmin edilen emisyonlarına baktığınızda “gerçekten maliyetli olanın veri depolama ve veri aktarımı olduğunu görebilirsiniz” diyor. Kotera ve meslektaşları, veri depolama ve transferinin, deneyin prototip aşamasında toplam yıllık emisyonların kabaca yarısını, orta aşamada dörtte birini ve tam ölçekli deney sırasında üçte birinden fazlasını oluşturacağını buldu.astroparçacık fiziği. 131 102587). Karşılaştırma yapacak olursak, veri analizi ve simülasyonlar, üç aşamada sırasıyla yaklaşık %16, %13 ve %7 emisyon üretecektir.
Veri depolama ve transferinin karbon ayak izi, veri merkezlerinin enerji taleplerinden gelir. Süper bilgisayarlarda olduğu gibi, veri depolama, daha düşük emisyonlu veri merkezleri kullanılarak bir dereceye kadar ele alınabilir. Kotera, GRAND projesinin veri hacmini azaltmak için stratejilere de bakacağını söylüyor. Bunun muhtemelen neyin arşivlendiği konusunda dikkatli olmayı – “her şeyi saklamamız gerekmiyor” – ve verileri verimli bir şekilde temizlemenin yollarını bulmayı içereceğini açıklıyor.
“Verileri oldukça hızlı bir şekilde temizleyebilirsek, muhtemelen hacim ve emisyonların çoğunu azaltabiliriz” diye açıklıyor. “Veri aktarımı için zor çünkü küresel bir ağ.” Ancak veri hacimlerini temizlemek ve azaltmak yine de yardımcı olabilir ve bilim adamları ayrıca ne aktardıkları konusunda dikkatli olabilirler. Aynı veri parçalarını dünya çapında art arda aktaran birden fazla kişi hızla toplayabilir.
Ekip, GRAND'ın beş yıllık prototip aşamasındaki veri aktarımının 470 tCOXNUMX yayacağını hesapladı.2e – Paris'ten Dunhuang havaalanına, prototipin Çin'deki deney sahasının yakınında yaklaşık 270 uçuşa benzer. Aslında, araştırmacılar, sabit diskleri yılda dört kez uçakla göndermenin, verileri çevrimiçi olarak aktarmaktan çok daha az karbon salımı olacağını buldular.
Veri merkezlerinin dağıtık, küresel yapısı nedeniyle, veri depolama ve aktarımdan kaynaklanan emisyonları hesaplamak zor olabilir. Kotera, pek çok bilinmeyen olduğu için rakamlarının kesin olmadığı konusunda uyarırken, van der Tak, Hollanda astronomisinin karbon ayak izi analizinin ne kadar veri depolama ve aktarımını kapsadığından emin değil ve bakmaları gereken bir şey olabileceğini de sözlerine ekledi.
Parçacık fizikçilerinin de üzerine düşeni yapması gerekiyor. CERNörneğin, her yıl yaklaşık 100 petabayt veri üretir. kullanılarak depolanır, dağıtılır ve analiz edilir. Dünya Çapında LHC Hesaplama Izgarası (WLCG), 170'tan fazla ülkede yaklaşık 40 bilgi işlem merkezinden oluşan küresel bir işbirliği. CERN şimdi, LHC'de uygulanan enerji verimliliği iyileştirmelerini, özellikle kullanılan enerji birimi başına daha fazla veri toplama kabiliyetini açıklayan ikinci - geçen yıl yayınlanan - çevre raporları yayınlıyor. Yükseltilen makinenin 20 yıllık ömrü boyunca, CERN'in amiral gemisi tesisinin ilk açıldığında enerji verimliliğinden 10 kat daha fazla olacak. Ancak rapor, WLCG'nin emisyonlarını gerçekten kapsamadığını da kabul ediyor. Enerji tüketimi yalnızca CERN'in sahip olduğu veya işlettiği WLCG tesisleri için ayrıntılı olarak verilmiştir.
zihniyetinizi değiştirin
Lannelonge, araştırmacıların bilgisayarlarının emisyonları hakkında daha fazla düşünmeye başlamalarını ve kararlarına dahil etmelerini isterdi. İyi bir örnek, bilgisayar kaynaklarına sahip olduğunuz ve evde yatakta olacağınız için bir gecede verimsiz kod ve yazılım çalıştırmaktır, bu yüzden uzun sürmesi önemli değildir. “Daha verimli hale getirirsem, sera gazı emisyonlarını azaltacağımı ve karbon ayak izimi azaltacağımı söyleyene kadar sorun değil – yani birdenbire bunu yapmak için bir teşvik var” diye açıklıyor.
GRAND projesi söz konusu olduğunda Kotera, deneyin, insanların kendi simülasyonlarını üretmek yerine yaygın olarak çalıştırılan simülasyonları yeniden kullanmalarına olanak tanıyan ve böylece aynı verilerin tekrar tekrar üretilmesini önleyen simülasyon kitaplıklarına sahip olmayı planladığını söylüyor. Kotera'ya göre bu, büyük işbirliklerinde bile yaygın bir uygulamadır: merkezi bir mağaza olmadığı için farklı insanlar tekrar tekrar aynı simülasyonları çalıştırıyor. “Günümüzde sadece bir düğmeye basıp bir haftalık simülasyonu çalıştırmak, sonucu almak ve ardından 'oh, buna gerçekten ihtiyacım yoktu' demek çok kolay” diyor. "Amacımız, insanları simülasyonları çalıştırmadan önce bunun gerçekten ihtiyaç duydukları bir şey olup olmadığını düşünmeye teşvik etmektir."
Sonrası Büyük ölçekli bilgi işlemin devasa karbon ayak izi İlk çıktı Fizik dünyası.
