Sobre la necesidad de una informática baja en carbono y sostenible y el camino hacia una informática de carbono cero.
Puntos clave
El problema:
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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.
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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:
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Imaginemos que podemos prolongar la vida útil de nuestros dispositivos e incluso aumentar sus capacidades sin que aumente el consumo de energía.
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Mientras tanto, desarrollaremos las tecnologías para la siguiente generación de dispositivos, diseñados para la eficiencia energética y que tengan una larga vida útil.
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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].
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.
| 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.
| 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.
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