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Os cientistas de Cambridge estabeleceram princípios de como a ciência computacional – que impulsiona as descobertas desde a revelação dos mistérios do universo até o desenvolvimento de tratamentos para combater o câncer e melhorar nossa compreensão do genoma humano, mas pode ter uma pegada de carbono substancial – pode ser feita mais ambientalmente sustentável.
Escrevendo em Natureza Ciência Computacionalpesquisadores do Departamento de Saúde Pública e Atenção Primária da Universidade de Cambridge argumentam que a comunidade científica precisa agir agora se quiser evitar um aumento potencialmente descontrolado na pegada de carbono da ciência computacional à medida que a ciência de dados e os algoritmos aumentam em uso.
Loïc Lannelongue, pesquisador associado em ciência de dados biomédicos e pós-doutorado no Jesus College, Cambridge, disse: “A ciência transformou nossa compreensão do mundo ao nosso redor e trouxe grandes benefícios para a sociedade. Mas isso veio com um impacto não insignificante – e nem sempre bem compreendido – no meio ambiente. Como cientistas – assim como pessoas que trabalham em todos os setores – é importante que façamos o possível para reduzir a pegada de carbono de nosso trabalho para garantir que os benefícios de nossas descobertas não são superados por seus custos ambientais.”
Estudos recentes começaram a explorar os impactos ambientais da pesquisa científica, com foco inicial em conferências científicas e laboratórios experimentais. Por exemplo, a Reunião de Outono de 2019 da União Geofísica Americana foi estimada em emitir 80.000 toneladas de CO2e* (tCO2e), equivalente às emissões médias semanais da cidade de Edimburgo, no Reino Unido. A pegada de carbono anual de um laboratório típico de ciências da vida foi estimada em cerca de 20 tCO2e.
Mas há um aspecto da pesquisa que muitas vezes é esquecido – e que pode ter um impacto ambiental substancial: alto desempenho e computação em nuvem.
Em 2020, estima-se que o setor de Tecnologias de Informação e Comunicação representou entre 1,8% e 2,8% das emissões globais de gases de efeito estufa – mais do que a aviação (1,9%). Além dos efeitos ambientais do uso de eletricidade, fabricação e descarte de hardware, também há preocupações com o uso de água e pegada de terra dos data centers.
O professor Michael Inouye disse: “Embora o impacto ambiental dos laboratórios experimentais ‘úmidos’ seja mais óbvio, o impacto dos algoritmos é menos claro e muitas vezes subestimado. Embora o novo hardware, centros de dados de baixo consumo de energia e sistemas de computação de alto desempenho mais eficientes possam ajudar reduzir seu impacto, a crescente onipresença da inteligência artificial e da ciência de dados em geral significa que sua pegada de carbono pode crescer exponencialmente nos próximos anos se não agirmos agora.”
Para ajudar a resolver esse problema, a equipe desenvolveu o GREENER (Gadministração, Rresponsabilidade, Eestimativa, Eimpactos energéticos e incorporados, Nnovas colaborações, Eeducação e Research), um conjunto de princípios para permitir que a comunidade da ciência computacional lidere o caminho em práticas de pesquisa sustentáveis, maximizando o benefício da ciência computacional tanto para a humanidade quanto para o meio ambiente.
Governança e Responsabilidade — Todos os envolvidos na ciência computacional têm um papel a desempenhar para tornar o campo mais sustentável: a responsabilidade individual e institucional é um passo necessário para garantir a transparência e a redução da emissão de gases de efeito estufa.
Por exemplo, as próprias instituições podem ser fundamentais para gerenciar e expandir infraestruturas de dados centralizados e garantir que as decisões de aquisição levem em consideração tanto a fabricação quanto a pegada operacional das compras de hardware. As equipes de TI em centros de computação de alto desempenho (HPC) podem desempenhar um papel fundamental, tanto em termos de treinamento quanto em ajudar os cientistas a monitorar a pegada de carbono de seu trabalho. Os Investigadores Principais podem encorajar as suas equipas a pensar sobre esta questão e dar acesso a formação adequada. Os órgãos de financiamento podem influenciar os pesquisadores exigindo que estimativas de pegadas de carbono sejam incluídas nos pedidos de financiamento.
Estimar e relatar o consumo de energia dos algoritmos — Estimar e monitorar a pegada de carbono dos cálculos identifica ineficiências e oportunidades de melhoria.
As métricas no nível do usuário são cruciais para entender os impactos ambientais e promover a responsabilidade pessoal. O custo financeiro da execução de cálculos geralmente é insignificante, principalmente na academia, e os cientistas podem ter a impressão de uma capacidade computacional ilimitada e inconseqüente. Quantificar a pegada de carbono de projetos individuais ajuda a aumentar a conscientização sobre os verdadeiros custos da pesquisa.
Lidando com energia e impactos incorporados por meio de novas colaborações — Minimizar a intensidade do carbono — ou seja, a pegada de carbono da produção de eletricidade — é uma das formas de impacto imediato para reduzir as emissões de gases do efeito estufa. Isso pode envolver a realocação de cálculos para configurações e países de baixo carbono, mas isso precisa ser feito com a equidade em mente. As intensidades de carbono podem diferir em até três ordens de magnitude entre os países de alta renda com desempenho superior e inferior (de 0,10 gCO2e/kWh na Islândia a 770 gCO2e/kWh na Austrália).
A pegada dos dispositivos do usuário também é um fator: uma estimativa constatou que quase três quartos (72%) da pegada de energia de streaming de um vídeo para um laptop é do laptop, com 23% usados na transmissão e apenas 5% em o centro de dados.
Outra consideração importante é o armazenamento de dados. A pegada de carbono do armazenamento de dados depende de vários fatores, mas a pegada do ciclo de vida de armazenar um terabyte de dados por um ano é da ordem de 10 kg CO2e. Esse problema é agravado pela duplicação de tais conjuntos de dados para que cada instituição e, às vezes, cada grupo de pesquisa tenha uma cópia. Espera-se que grandes centros de dados (hiperescala) sejam mais eficientes em termos de energia, mas também podem encorajar aumentos desnecessários na escala da computação (o ‘efeito rebote’).
Educação e Pesquisa — A educação é essencial para aumentar a conscientização sobre os problemas com as diferentes partes interessadas. Integrar a sustentabilidade em cursos de treinamento computacional é um primeiro passo tangível para reduzir as pegadas de carbono. Investir em pesquisa que catalisará a inovação no campo da ciência computacional ambientalmente sustentável é um papel crucial para financiadores e instituições.
Estudos recentes descobriram que as linguagens de programação mais usadas em pesquisa, como R e Python, tendem a ser as menos eficientes em termos de energia, destacando a importância de ter engenheiros de software de pesquisa treinados dentro de grupos de pesquisa para garantir que os algoritmos usados sejam implementados com eficiência . Também há espaço para usar as ferramentas atuais de maneira mais eficiente, compreendendo e monitorando melhor como as opções de codificação afetam as pegadas de carbono.
O Dr. Lannelongue disse: “Os cientistas da computação têm uma oportunidade real de liderar o caminho da sustentabilidade, mas isso envolverá uma mudança em nossa cultura e na maneira como trabalhamos. Haverá necessidade de mais transparência, mais conscientização, melhor treinamento e recursos, e políticas melhoradas.
“Cooperação, ciência aberta e acesso equitativo a instalações de computação de baixo carbono também serão cruciais. países, que mais sofrem com as mudanças climáticas.”
O professor Inouye acrescentou: “Todos no campo – de financiadores a periódicos, instituições e indivíduos – desempenham um papel importante e podem, eles próprios, causar um impacto positivo. Temos uma imensa oportunidade de fazer uma mudança, mas o relógio é tique-taque.”
A pesquisa foi uma colaboração com as principais partes interessadas, incluindo Health Data Research UK, EMBL-EBI, Wellcome e UK Research and Innovation (UKRI).
*CO2e, ou equivalente a CO2, resume os impactos do aquecimento global de uma série de gases de efeito estufa e é a métrica padrão para pegadas de carbono, embora sua precisão às vezes seja debatida.
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