剑桥大学AS：使用“绿色算法”测量计算机的碳足迹

一个新的开源平台使科学家可以轻松地测量其计算的碳足迹。

图片来源: Markus Spiskeon Unsplash

当我们谈及温室气体减排时，通常会想到一些直观的策略，例如使用可再生能源，减少对化石燃料的依赖，抑或是少食用肉制品。

然而，随着我们的计算能力和每年产生的数据量不断增长，它们带来的碳排放也逐年增加，尽管这并没有引起太多人的注意。“与汽车相比，计算产生的碳排放对环境的影响要抽象得多”，剑桥大学的人工智能和医学在读博士Loïc Lannelongue说道，“从厨房家电到汽车，厂商都在推行低能耗、可持续的概念，这种环保行为既能起到广告作用，也是许多政府的法律要求”。

高性能计算的发展已经奠定了许多重要的科学里程碑，但其对环境的影响尚未引起人们足够的重视。

数据中心以电力消耗的方式制造了碳排放，包括为计算机和长期数据存储供电，其每年产生的二氧化碳排放约是1亿吨，相当于美国航空业的贡献。此外，用于生产计算机硬件的原材料，其开采和处置都会造成二次环境影响。Lannelongue补充说：“消费类设备对环境的总影响中约有75%来自其生产过程，因此延长产品的寿命对于保护环境是至关重要的。”

使用计算服务的研究人员在这一问题的认识上也存在误区。Lannelongue 表示：“计算耗时对于许多科学家来说是免费的，因为他们通常可以使用大型机构的服务器或超级计算机而无需支付电费，这种情况有时可能会导致过度使用和资源浪费。因此，将环境成本纳入考虑，避免科研人员产生“计算免费”的错误观念，有助于我们应对气候危机。”

但问题是，很少有研究科研确切计算出计算贡献的温室气体排放。Lannelongue补充说：“即使对于想估算碳足迹的科学家来说，由于需要对每个硬件的环境影响进行广泛的研究，至今难以得到准确的数字。而数据的缺失则使这一问题将继续被忽略，这就是我们开发“绿色算法”项目的动机。”

在Advanced Science上发表的一项最新研究中，由Michael Inouye教授领导，Loïc Lannelongue和Jason Grealey组成的团队开发了一种开源工具，从办公室的笔记本电脑到数据中心的服务器，该工具可估算任何计算任务的碳足迹。

Lannelongue解释道：“我们通过计算任务的耗能来计算所排放的温室气体。一开始这听起来很难实现，但我们将重要的参数归结成一些容易得到的概念：算法运行时间、使用何种硬件（CPU、GPU和内存）以及在哪个国家/地区运行的计算任务。然后，科学家仅需将这些参数填入在线计算器中，网站就会生成该项计算任务的估计碳足迹，并以排放的二氧化碳克数来表示。”

该计算器还会将得到的结果与驾驶汽车、乘坐飞机造成的排放进行比较，并显示一棵树从大气中除去这么多二氧化碳需要几个月的时间（这一指标被Lannelongue称为“树月”）。

对该团队来说，免费提供该平台有助于克服这项估算的一个主要挑战：缺少数据。因此，他们需要尽可能消除障碍和摩擦，以帮助科学家更好地了解结算工作对环境的影响。Lannelongue补充道：“让用户能够了解计算来源并信任估计的碳排放结果也很重要，因此我们将所有的代码和数据进行了开源。”

该团队认为，“绿色算法”将有助于人们提高对这一问题的意识，从而使人们自觉减少碳足迹。Lannelongue说：“我们发现，大多数计算科学家一旦意识到这一问题便会付诸行动。通过向他们展示他们所产生的碳排放的规模，就能对改变他们的习惯产生很大的帮助。”

英国曼彻斯特大学化学系的博士Jon Kragskow（与本研究无关）反映了这种观点：“当向程序中输入数据、看到产生的碳排放时我倍感惊讶，因为我此前从未考虑过这一问题！学习编程和执行代码正因廉价、高效的硬件出现而愈发容易。作为科学家，我们必须开始意识到我们的计算机代码对环境的影响。幸好诞生了这么一种轻量级的方法，可以轻松地计算自己的研究成本，我认为这种分析必须得到大多数科学家的关注。”

在他们的论文以及网站中，Lannelongue和他的同事们概述了哪些因素会改变一项任务的环境影响，以及减少环境影响的具体方法。例如，天气预报是通过对不同的大气/海洋相互作用的复杂模拟来进行的（简单地说），因此研究人员对一种常用的算法--ICOsahedral Non-hydrostatic（ICON）的碳足迹进行了建模，有30多个国家的气象部门使用ICON算法进行天气预测。

他们估计，ICON每天大约释放2.5吨二氧化碳，相当于开车13215公里或从纽约飞到旧金山四次。在碳封存方面，ICON天气预报每一天的排放量相当于2 523个树月（即一棵树需要210年才能吸收这么多的碳）。为了使天气预测这样的过程更具可持续性，可以限制算法的运行此说，或将计算转移到碳强度更低的高效数据中心，并致力于碳抵消补偿碳足迹。

“计算机技术和高功率计算不会消失，”Lannelongue说，“这是一件好事。在生物学、医学，甚至应对气候变化方面，其潜在的好处是巨大的。而问题是我们该如何尽可能地提高计算的可持续性，以及确保每一个项目的预期收益超过其环境代价，而不是仅考虑整体收益？”

他补充说：“这个算法项目可以激励机构认识到自身的环境影响，投资更环保的设施并促进更多可持续发展的做法。我们希望这项工作能成为人们承认研究工作碳足迹的垫脚石。”

WILEY

论文信息:

Green Algorithms: Quantifying the Carbon Footprint of Computation

Loïc Lannelongue*, Jason Grealey, Michael Inouye*

Advanced Science

DOI: 10.1002/advs.202100707

点击左下角「阅读原文」，查看该论文原文。

本新闻稿取材于Advanced Science News 官方网站

原文链接：

https://www.advancedsciencenews.com/measuring-computers-carbon-footprint-with-green-algorithms/ 

由Victoria Corless撰写，潘奕辰翻译。

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