"Informática frugal"
Por Wim Vanderbauwhede
Sobre la necesidad de una informática baja en carbono y sostenible y el
camino hacia una informática de carbono cero.
Puntos clave
El problema:
Las emisiones informáticas actuales suponen alrededor del 2% del
total mundial, pero se prevé que aumenten considerablemente en las
próximas dos décadas. En 2040, las emisiones informáticas por sí
solas se acercarán a la mitad del nivel de emisiones aceptable para
mantener el calentamiento global por debajo de los 1,5 °C. Este
crecimiento de las emisiones derivadas de la informática es
insostenible: haría prácticamente imposible cumplir el límite de
emisiones de GEI.
Las emisiones derivadas de la producción de dispositivos
informáticos superan con creces las emisiones derivadas de su
funcionamiento, por lo que, aunque los dispositivos sean más
eficientes energéticamente, producir más de ellos empeorará el
problema de las emisiones. Por tanto, debemos prolongar la vida útil
de nuestros dispositivos informáticos.
La solución:
Como sociedad, tenemos que empezar a tratar los recursos
informáticos como algo finito y valioso, que debe utilizarse sólo
cuando sea necesario y con la mayor eficacia posible. Necesitamos
una informática frugal: conseguiendo los mismos resultados con menos
energía.
La visión:
Imaginemos que podemos prolongar la vida útil de nuestros
dispositivos e incluso aumentar sus capacidades sin que aumente el
consumo de energía.
Mientras tanto, desarrollaremos las tecnologías para la siguiente
generación de dispositivos, diseñados para la eficiencia energética
y que tengan una larga vida útil.
Cada ciclo posterior durará más, hasta que finalmente el mundo
disponga de recursos informáticos que duren para siempre y apenas
consuman energía.
Definición de los recursos informáticos
Los recursos informáticos son todos los recursos energéticos y
materiales que intervienen en cualquier tarea que requiera computación.
Por ejemplo, cuando se realiza una búsqueda en la web con el teléfono o
se participa en una videoconferencia con un portátil, los recursos
computacionales implicados son los de producción y funcionamiento del
teléfono o portátil, la red móvil, WiFi o fija a la que se conecta el
dispositivo y los centros de datos donde se realizan las operaciones de
búsqueda o la emisión del vídeo. Si un científico ejecuta un simulador
en un superordenador, los recursos informáticos implicados son su
ordenador de sobremesa, la red y el superordenador. Para un sistema de
control de procesos industriales, son la producción y el funcionamiento
de los Controladores Lógicos Programables. Los recursos informáticos son
finitos
Desde el inicio de la informática de uso generalizado en los años 70,
nuestra sociedad ha venido utilizando cantidades cada vez mayores de
recursos computacionales.
Durante mucho tiempo, el crecimiento de la capacidad de cálculo en
función del consumo de energía de los dispositivos ha sido literalmente
exponencial, una tendencia expresada por la ley de Moore.
Con este crecimiento de la capacidad de cálculo, el uso creciente de
recursos informáticos se ha convertido en algo omnipresente en la
sociedad actual. Hasta hace poco, el consumo energético y la huella de
carbono resultantes del uso de recursos informáticos han sido pequeños
en comparación con el total mundial. En consecuencia, los recursos
informáticos han sido considerados ilimitados hasta hace poco.
Por ello, la economía del desarrollo de hardware y software se ha basado
en la suposición de que, con cada generación, el rendimiento se
duplicaría gratuitamente. Ahora, este crecimiento ilimitado ya no es
sostenible debido a una combinación de limitaciones tecnológicas y a la
emergencia climática. Por tanto, tenemos que hacer más con menos.
La ley de Moore, ha llegado a su fin efectivo, ya que los circuitos
integrados no pueden reducirse más. En consecuencia, el rendimiento por
vatio ya no aumenta exponencialmente. Por otro parte, la demanda de
recursos informáticos va a aumentar considerablemente.
La consecuencia es, que al menos durante las próximas décadas, el
crecimiento de la demanda de recursos informáticos no se verá compensada
por el aumento de la eficiencia energética. Por lo tanto, si todo sigue
igual, el consumo energético y la huella de carbono resultante del uso
de recursos informáticos crecerán de forma espectacular hasta
convertirse en un factor importante del total mundial.
Además, los recursos necesarios para crear los dispositivos informáticos
y la infraestructura también son finitos, y el consumo energético total
y la huella de carbono de la producción de dispositivos informáticos son
enormes. La Ley de Moore nos ha condicionado a duplicar el rendimiento
cada dos años, lo que ha conducido a una vida útil muy corta del
hardware informático. Este ritmo de obsolescencia de los dispositivos
informáticos y del software es totalmente insostenible.
Por tanto, como sociedad tenemos que empezar a tratar los recursos
informáticos como algo finito y valioso, que debe utilizarse sólo cuando
sea necesario, y de la forma más frugal posible. Y como científicos de
la computación, tenemos que garantizar que la computación tenga el menor
consumo de energía posible. Y debemos conseguirlo con las tecnologías
actualmente disponibles, porque la vida útil de los dispositivos
informáticos debe ampliarse drásticamente.
Me gustaría llamar a esto "computación frugal": conseguir los mismos
resultados con menos energía siendo más frugales con nuestros recursos
informáticos. La escala del problema Cumpliendo los objetivos
ambientales
Para limitar el calentamiento global por debajo de los 1,5 °C, es
necesario reducir drásticamente las emisiones. En la próxima década, las
emisiones mundiales deben reducirse entre 55 y 23 GtCO₂e gigatoneladas
de CO₂ equivalente (GtCO₂e) al año [5].
Por lo tanto, para 2030 esto supondría una reducción necesaria de las
emisiones globales de CO₂ de más del 50%. Según la Agencia Internacional
de la Energía [10], las emisiones de la electricidad se estiman
actualmente en unas 10 GtCO₂e. Se prevé que la proporción mundial de
electricidad procedente de energías renovables aumente del actual 22% a
algo más del 30% en 2040 [15]. En otras palabras, no podemos contar con
las renovables para eliminar las emisiones de CO₂ de la electricidad a
tiempo para cumplir los objetivos climáticos. La reducción del consumo
de energía es la única opción. Consumo de energía de los recursos
informáticos
La consecuencia del fin de la ley de Moore se expresó de forma más
dramática en un informe de 2015 de la Asociación de la Industria de
Semiconductores (SIA) "Rebooting the IT Revolution: a call to action"
[1], en el que se calculaba que, basándose en las tasas de crecimiento
proyectadas y en la hoja de ruta del ITRS de 2015 para las tecnologías
de ingeniería de chips CMOS [16],
La computación no será sostenible en 2040, cuando la energía
necesaria para la computación superará la producción mundial de
energía estimada.
Hay que tener en cuenta que se trata únicamente de la energía del
dispositivo informático, como se explica en el informe. No se incluye la
energía requerida, por la infraestructura del centro de datos y de la
red, por ejemplo.
La SIA lo ha reiterado en su "Plan Decenal de Semiconductores" de 2020
[2], aunque ha revisado la proyección basándose en un "argumento de
dinámica de mercado":
Si no se controla el crecimiento exponencial de la energía de
computación, la dinámica del mercado limitará el crecimiento de la
capacidad computacional, lo que provocará un aplanamiento de la
curva energética.
Esto no es más que una confirmación de que la producción mundial de
energía no va a aumentar drásticamente y que por lo tanto, el aumento de
la demanda se traducirá en precios más altos que amortiguarán la
demanda. La informática, de hecho, no va a superar la producción mundial
de energía.
La creciente demanda de energía para la computación frente a la
producción mundial de energía está creando un nuevo riesgo, y los
nuevos paradigmas informáticos ofrecen oportunidades para mejorar
drásticamente la eficiencia energética.
En los países donde se encuentra la mayor parte de los recursos
informáticos (EE.UU. y la UE), la producción de electricidad representa
actualmente el 25% de las emisiones totales [4]. Según las estimaciones
de la SIA, la computación representa actualmente algo menos del 10% de
la producción total de electricidad, pero está previsto que aumente
hasta cerca del 30% en 2040. Esto significaría que, si todo sigue igual,
los recursos informáticos serían responsables de al menos el 10% de
todas las emisiones mundiales de CO₂ en 2040.
El estudio independiente "Assessing ICT global emissions footprint:
Trends to 2040 & recommendations" [3] corrobora las cifras de la SIA:
estima que las emisiones de gases de efecto invernadero de la
informática para 2020 se sitúan entre el 3,0% y el 3,5% del total, lo
que es un poco más alto que la estimación de la SIA del 2,5% porque sí
tiene en cuenta las redes y los centros de datos. Su proyección para
2040 es del 14% en lugar del 10%, lo que significa un cuadruplicar (4x)
el crecimiento en lugar de triplicarlo (3x).
En valores absolutos, según esta estimación, en 2040 el consumo de
energía de los dispositivos informáticos sería responsable de 5 GtCO₂e,
mientras que el objetivo de emisiones mundiales totales de todas las
fuentes es de 23 GtCO₂e. Energía para la producción de recursos
informáticos
Para empeorar la situación, las emisiones de carbono resultantes de la
producción de dispositivos informáticos superan a las que se producen
durante su funcionamiento. Este es un punto crucial, porque significa
que no podemos confiar en las tecnologías de hardware de próxima
generación para ahorrar energía: la producción de esta próxima
generación de dispositivos creará más emisiones de las que cualquier
ganancia operativa pueda compensar. Esto no significa que la
investigación de tecnologías más eficientes deba detenerse. Pero sus
ciclos de despliegue deberían ser mucho más lentos. Prolongar la vida
útil de las tecnologías informáticas debe convertirse en nuestra
prioridad.
El informe sobre el coste de la obsolescencia programada elaborado por
la Oficina Europea de Medio Ambiente [7] deja muy clara la magnitud del
problema. En el caso de los ordenadores portátiles y similares, la
fabricación, la distribución y la eliminación suponen el 52% de su
potencial de calentamiento global (es decir, la cantidad de emisiones de
CO₂ equivalente causadas). En el caso de los teléfonos móviles, este
porcentaje es del 72%. El informe calcula que la vida útil de estos
aparatos debería ser de al menos 25 años para limitar su potencial de
calentamiento global. En la actualidad, para los ordenadores portátiles
es de unos 5 años y para los teléfonos móviles de 3 años. Según[8], la
vida útil típica de los servidores en los centros de datos es también de
3 a 5 años, lo que tampoco alcanza estos requisitos mínimos. Según este
artículo científico, el impacto de la fabricación de los servidores es
del 20% del total, lo que requeriría una ampliación de la vida útil de
éstos hasta los 11-18 años. El coste total de las emisiones informáticas
Teniendo en cuenta el coste del carbono tanto en su funcionamiento como
en su producción, la informática sería responsable de 10 GtCO₂e en 2040,
casi la mitad del presupuesto aceptado de emisiones de CO₂ [2,3,14]. Un
gráfico con dos barras: las emisiones mundiales (55) y las emisiones de
la informática (0,1) en 2020; y para 2040, el objetivo de emisiones
mundiales para limitar el calentamiento a 1,5 °C (23), y las emisiones
previstas de la informática (10) Emisiones actuales y proyectadas de la
informática (producción+operación), y objetivo de emisiones para 2040
para limitar el calentamiento a < 1,5 °C Desglose por tipo de
dispositivo
Para decidir las acciones necesarias para reducir las emisiones, es
importante examinar el número de diferentes tipos de dispositivos y su
consumo de energía. Si consideramos los teléfonos móviles como una
categoría, los ordenadores portátiles y de sobremesa como otra y los
servidores como una tercera categoría, las preguntas serían: cuántos
dispositivos hay en cada categoría y cuál es su consumo energético. Las
cifras absolutas de dispositivos en uso son bastante difíciles de
estimar, pero las cifras de ventas anuales [10] y las estimaciones de
consumo de energía para cada categoría [11,12,13,14] están fácilmente
disponibles en diversas fuentes. Las tablas siguientes muestran las
ventas en 2020 y las estimaciones de consumo energético anual para cada
categoría de dispositivos. En [14] se presenta un análisis más
detallado.
Número de dispositivos vendidos en todo el mundo en 2020
Tipo de dispositivo Ventas en 2020
Teléfonos 3000M
Servidores 13M
Tabletas 160M
Pantallas 40M
Portátiles 280M
Ordenadores de sobremesa 80M
Televisores 220M
Dispositivos IoT 2000M
El consumo energético de todas la tecnologías de la comunicación e
informaticas que se utiliza hoy en día en el mundo es de unos 3.000 TWh,
aproximadamente el 11% del consumo mundial de electricidad, que se prevé
que aumente entre 3 y 4 veces para 2040 si se mantiene la situación
actual, según [2]. Se trata de una estimación conservadora: el estudio
de [14] incluye una proyección en el peor de los casos de un aumento a
30,000 TWh (que supera el consumo mundial de electricidad actual) para
2030.
Estimaciones de consumo energético anual en TWh
Tipo de dispositivo TWh
Televisores 560
Otros aparatos de consumo 240
Red de acceso fijo (cableado+WiFi) 900 + 500
Red móvil 100
Centros de datos 700
Total 3000
Los datos mencionados más arriba dejan claro cuáles son las acciones
necesarias: el principal coste energético de los teléfonos, las tabletas
y los dispositivos IdC (internet de las cosas en inglés, Internet of
things, IoT) es su producción y el uso de la red móvil, por lo que
debemos prolongar su vida útil de forma considerable y reducir la
utilización de las redes. Alargar la vida útil es también la acción
clave para los centros de datos y los ordenadores de sobremesa, pero su
consumo energético también debe reducirse considerablemente, al igual
que el de las redes cableadas, WiFi y móviles. Una visión de la
informática sostenible y con bajas emisiones de carbono
Está claro que es necesario actuar con urgencia: en menos de dos
décadas, el uso global de los recursos computacionales debe
transformarse radicalmente. De lo contrario, el mundo no alcanzará sus
objetivos climáticos, incluso con reducciones significativas en otras
sectores de emisión. El coste energético tanto en la producción como en
el funcionamiento de los dispositivos debe reducirse considerablemente.
Para utilizar los dispositivos durante más tiempo, es necesario un
cambio en los modelos de negocio, así como en la actitud de los
consumidores. Para ello es necesario sensibilizar y educar, pero también
incentivar el cambio de comportamiento. Y para mantener los dispositivos
en funcionamiento durante mucho tiempo, se necesita una infraestructura
de reparación y mantenimiento, con disponibilidad de piezas a largo
plazo, manuales de reparación abiertos y formación. Para que todo esto
se haga realidad, se necesitarán incentivos y políticas económicas (por
ejemplo, impuestos, regulación). Por eso hay que convencer a los
principales responsables de la sociedad, la política y las empresas.
Imaginemos que podemos prolongar la vida útil de nuestros dispositivos e
incluso aumentar sus capacidades, simplemente mediante una mejor ciencia
informática. Con cada mejora, la capacidad de cálculo aumentará de hecho
sin que aumente el consumo de energía. Mientras tanto, desarrollaremos
las tecnologías para la siguiente generación de dispositivos, diseñados
para la eficiencia energética y una larga vida útil. Cada ciclo
posterior durará más, hasta que finalmente el mundo disponga de recursos
informáticos que duren para siempre y apenas consuman energía.
Un gráfico con cuatro tendencias: emisiones de la producción, emisiones
en total, rendimiento y emisiones/rendimiento.
Hacia una informática con cero emisiones de carbono: aumentar el
rendimiento y la vida útil y reducir las emisiones. Ilustración con los
siguientes supuestos: cada nueva generación dura el doble que la
anterior y cuesta la mitad de energía producirla; la eficiencia
energética mejora linealmente con un 5% al año.
Se trata de una visión muy desafiante, que abarca todos los aspectos de
la informática. Por nombrar sólo algunos retos:
Debemos diseñar el software de forma que soporte dispositivos con
una vida útil prolongada.
Necesitamos estrategias de ingeniería de software para gestionar los
ciclos de vida prolongados del software y, en particular, para hacer
frente a la deuda técnica.
Una vida útil más larga significa más oportunidades para explotar
las vulnerabilidades, por lo que necesitamos una mejor
ciberseguridad.
Tenemos que desarrollar nuevos enfoques para reducir el consumo de
energía en todo el sistema.
Para hacer frente a estos retos, es necesario actuar en muchos frentes.
¿Qué vas a hacer para que la informática frugal sea una realidad?
Traductor: Izaro (@izaro@pleroma.libretux.com)
Referencias
[1] "Rebooting the IT revolution: a call to action", Semiconductor
Industry Association/Semiconductor Research Corporation, Sept 2015
[2] "Full Report for the Decadal Plan for Semiconductors", Semiconductor
Industry Association/Semiconductor Research Corporation, Jan 2021
[3] "Assessing ICT global emissions footprint: Trends to 2040 &
recommendations", Lotfi Belkhir, Ahmed Elmeligi, Journal of Cleaner
Production 177 (2018) 448--463
[4] "Sources of Greenhouse Gas Emissions", United States Environmental
Protection Agency, Last updated on April 14, 2021
[5] "Emissions Gap Report 2020", UN Environment Programme, December 2020
[6] "The link between product service lifetime and GHG emissions: A
comparative study for different consumer products", Simon
Glöser-Chahoud, Matthias Pfaff, Frank Schultmann, Journal of Industrial
Ecology, 25 (2), pp 465-478, March 2021
[7] "Cool products don’t cost the Earth – Report", European
Environmental Bureau, September 2019
[8] "The life cycle assessment of a UK data centre", Beth Whitehead,
Deborah Andrews, Amip Shah, Graeme Maidment, Building and Environment 93
(2015) 395--405, January 2015
[9] Statista, retrieved June 2021
[10] "Global Energy & CO₂ Status Report", International Energy Agency,
March 2019
[11] "Redefining scope: the true environmental impact of smartphones?",
James Suckling, Jacquetta Lee, The International Journal of Life Cycle
Assessment volume 20, pages 1181–1196 (2015)
[12] "Server Rack Power Consumption Calculator", Rack Solutions, Inc.,
July 2019 [13] "Analysis of energy consumption and potential energy
savings of an institutional building in Malaysia", Siti Birkha Mohd Ali,
M.Hasanuzzaman, N.A.Rahim, M.A.A.Mamun, U.H.Obaidellah, Alexandria
Engineering Journal, Volume 60, Issue 1, February 2021, Pages 805-820
[14] "On Global Electricity Usage of Communication Technology: Trends to
2030", Anders S. G. Andrae, Tomas Edler, Challenges 2015, 6(1), 117-157
[15] "BP Energy Outlook: 2020 Edition",BP plc
[16] "2015 International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS)",
Semiconductor Industry Association, June 2015