Actúe ahora para evitar el aumento descontrolado de la huella de carbono de la ciencia computacional

escribiendo en Naturaleza Ciencias Computacionalesinvestigadores del Departamento de Salud Pública y Atención Primaria de la Universidad de Cambridge argumentan que la comunidad científica debe actuar ahora si quiere evitar un aumento potencialmente descontrolado en la huella de carbono de la ciencia computacional a medida que aumenta el uso de la ciencia de datos y los algoritmos.

El Dr. Loïc Lannelongue, investigador asociado en ciencia de datos biomédicos y asociado postdoctoral en Jesus College, Cambridge, dijo: “La ciencia ha transformado nuestra comprensión del mundo que nos rodea y ha generado grandes beneficios para la sociedad. Pero esto ha venido con un impacto no insignificante, y no siempre bien entendido, en el medio ambiente. Como científicos, al igual que las personas que trabajan en todos los sectores, es importante que hagamos lo que podamos para reducir la huella de carbono de nuestro trabajo para garantizar que los beneficios de nuestros descubrimientos no se vean superados por los costos ambientales”.

Estudios recientes han comenzado a explorar los impactos ambientales de la investigación científica, con un enfoque inicial en conferencias científicas y laboratorios experimentales. Por ejemplo, se estimó que la reunión de otoño de 2019 de la Unión Geofísica Estadounidense emitió 80 000 toneladas de CO2e* (tCO2e), equivalente al promedio de emisiones semanales de la ciudad de Edimburgo, Reino Unido. La huella de carbono anual de un laboratorio típico de ciencias de la vida se ha estimado en alrededor de 20 tCO2e.

Pero hay un aspecto de la investigación que a menudo se pasa por alto y que puede tener un impacto ambiental sustancial: el alto rendimiento y la computación en la nube.

En 2020, se estimó que el sector de las tecnologías de la información y la comunicación representó entre el 1,8 % y el 2,8 % de las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero, más que la aviación (1,9 %). Además de los efectos ambientales del uso de electricidad, la fabricación y la eliminación de hardware, también existen preocupaciones sobre el uso de agua y la huella de suelo de los centros de datos.

El profesor Michael Inouye dijo: “Si bien el impacto ambiental de los laboratorios ‘húmedos’ experimentales es más obvio de inmediato, el impacto de los algoritmos es menos claro y, a menudo, se subestima. Si bien el nuevo hardware, los centros de datos de menor consumo de energía y los sistemas informáticos de alto rendimiento más eficientes pueden ayudar a reducir su impacto, la creciente ubicuidad de la inteligencia artificial y la ciencia de datos en general significa que su huella de carbono podría crecer exponencialmente en los próximos años si no actuamos ahora. .”

Para ayudar a abordar este problema, el equipo ha desarrollado GREENER (Gobernanza, Responsabilidad, Estimación, Energía e impactos incorporados, Nuevas colaboraciones, Educación e Investigación), un conjunto de principios para permitir que la comunidad de ciencias computacionales lidere el camino en prácticas de investigación sostenibles. maximizar el beneficio de la ciencia computacional tanto para la humanidad como para el medio ambiente.

Gobernanza y Responsabilidad

Todos los involucrados en la ciencia computacional tienen un papel que desempeñar para hacer que el campo sea más sostenible: la responsabilidad individual e institucional es un paso necesario para garantizar la transparencia y la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero.

Por ejemplo, las propias instituciones pueden ser clave en la gestión y expansión de las infraestructuras de datos centralizados y en garantizar que las decisiones de adquisición tengan en cuenta tanto la huella de fabricación como la operativa de las compras de hardware. Los equipos de TI en los centros de computación de alto rendimiento (HPC) pueden desempeñar un papel clave, tanto en términos de capacitación como de ayuda a los científicos a monitorear la huella de carbono de su trabajo. Los Investigadores Principales pueden animar a sus equipos a reflexionar sobre este tema y dar acceso a una formación adecuada. Los organismos de financiación pueden influir en los investigadores al exigir que se incluyan estimaciones de las huellas de carbono en las solicitudes de financiación.

Estimar e informar el consumo de energía de los algoritmos

La estimación y el seguimiento de la huella de carbono de los cálculos identifica ineficiencias y oportunidades de mejora.

Las métricas a nivel de usuario son cruciales para comprender los impactos ambientales y promover la responsabilidad personal. El costo financiero de ejecutar cálculos a menudo es insignificante, particularmente en el ámbito académico, y los científicos pueden tener la impresión de una capacidad informática ilimitada e intrascendente. La cuantificación de la huella de carbono de los proyectos individuales ayuda a aumentar la concienciación sobre los costes reales de la investigación.

Abordar la energía y los impactos incorporados a través de nuevas colaboraciones

Minimizar la intensidad de carbono, es decir, la huella de carbono de la producción de electricidad, es una de las formas de impacto más inmediato para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Esto podría implicar la reubicación de los cálculos en entornos y países con bajas emisiones de carbono, pero esto debe hacerse teniendo en cuenta la equidad. Las intensidades de carbono pueden diferir hasta en tres órdenes de magnitud entre los países de ingresos altos con mejor y peor desempeño (de 0,10 gCO2e/kWh en Islandia a 770 gCO2e/kWh en Australia).

La huella de los dispositivos de los usuarios también es un factor: una estimación encontró que casi las tres cuartas partes (72 %) de la huella energética de la transmisión de un video a una computadora portátil proviene de la computadora portátil, con un 23 % utilizado en la transmisión y solo un 5 % en el centro de datos

Otra consideración clave es el almacenamiento de datos. La huella de carbono del almacenamiento de datos depende de numerosos factores, pero la huella del ciclo de vida del almacenamiento de un terabyte de datos durante un año es del orden de 10 kg CO2e. Este problema se ve agravado por la duplicación de dichos conjuntos de datos para que cada institución, y en ocasiones cada grupo de investigación, tenga una copia. Se espera que los centros de datos grandes (hiperescala) sean más eficientes desde el punto de vista energético, pero también pueden fomentar aumentos innecesarios en la escala de la informática (el «efecto rebote»).

Educación e Investigación

La educación es esencial para crear conciencia sobre los problemas con las diferentes partes interesadas. La integración de la sustentabilidad en los cursos de capacitación computacional es un primer paso tangible hacia la reducción de la huella de carbono. Invertir en investigación que catalizará la innovación en el campo de la ciencia computacional ambientalmente sostenible es un papel crucial que deben desempeñar los financiadores y las instituciones.

Estudios recientes encontraron que los lenguajes de programación más utilizados en investigación, como R y Python, tienden a ser los menos eficientes energéticamente, lo que destaca la importancia de contar con ingenieros de software de investigación capacitados dentro de los grupos de investigación para garantizar que los algoritmos utilizados sean implementado eficientemente. También hay margen para utilizar las herramientas actuales de manera más eficiente al comprender y monitorear mejor cómo las opciones de codificación impactan en las huellas de carbono.

El Dr. Lannelongue dijo: “Los científicos informáticos tienen una oportunidad real de liderar el camino de la sostenibilidad, pero esto implicará un cambio en nuestra cultura y en la forma en que trabajamos. Habrá necesidad de más transparencia, más conciencia, mejor capacitación y recursos, y mejores políticas.

“La cooperación, la ciencia abierta y el acceso equitativo a instalaciones informáticas bajas en carbono también serán cruciales. Necesitamos asegurarnos de que las soluciones sostenibles funcionen para todos, ya que con frecuencia tienen el menor beneficio para las poblaciones, a menudo en países de bajos y medianos ingresos, que son los que más sufren el cambio climático”.

El profesor Inouye agregó: “Todos en el campo, desde los financiadores hasta las revistas, las instituciones y los individuos, desempeñan un papel importante y pueden, por sí mismos, tener un impacto positivo. Tenemos una inmensa oportunidad de hacer un cambio, pero el tiempo corre”.

La investigación fue una colaboración con las principales partes interesadas, incluidos Health Data Research UK, EMBL-EBI, Wellcome y UK Research and Innovation (UKRI).

*CO2e, o CO2-equivalente, resume los impactos en el calentamiento global de una variedad de gases de efecto invernadero y es la métrica estándar para las huellas de carbono, aunque a veces se debate su precisión.

Referencia
Lannelongue, L et al. Principios más VERDES para la ciencia computacional ambientalmente sostenible. ciencia computacional nacional; 26 de junio; DOI: 10.1038/s43588-023-00461-a