多年来，HiPEAC 愿景一直将可持续性作为计算系统社区关注的重点。在讨论这个主题时，本文总结了 Koen De Bosschere、Patrick Blouet、Thomas Ernst、Lars-Åke Ragnarsson、Jean-Pierre Raskin 和 Lieven Eeckhout 的论文结论，所有这些结论都构成了HIPEAC 愿景 2024 的基本原理。
“人类最大的缺点是我们无法理解指数函数” ——阿尔伯特艾伦巴特利特
可持续性可以说是 21 世纪最大的挑战，它是一个非常庞大且多维度的问题。任何领域，包括信息和通信技术 (ICT) 领域，都只是更广阔领域的一部分。可以理解的是，计算机工程师和计算机科学家可能会放弃，认为这不是他们要解决的问题。
然而，有一些令人信服的理由促使我们这些行业人士至少尝试解决可持续性问题。例如，过去几十年来，ICT 行业的碳足迹每年增长 1.8%；目前估计，该行业占全球温室气体排放量的 2.1% 至 3.9%——正如 Eeckhout 指出的那样，这与航空业相当 [1]——而且这一数字还将上升。与此同时，据估计，整个 ICT 行业在 2021 年将占全球能源使用量的 9.3%，到 2030 年将达到全球能源使用量的 11.5% [2]。
或者想想这样一个事实：门捷列夫元素周期表中的几乎所有元素（除放射性物质外）都用于智能手机的电路中。然而，领先的电子产品回收公司只能从这 60 种不同的材料中分离出 17 种进行回收 [3]——这还没有考虑到目前只有 17.4% 的电子垃圾被回收 [2]。ICT 行业巨大的用水量是另一个主要问题：例如，目前一家半导体工厂每平方厘米晶圆估计要使用约 8 升超纯水。换句话说，一家每月生产 20,000 片 200 毫米晶圆的工厂每天需要的水量超过一个奥林匹克游泳池的水量[ 2]。
在一个资源有限的地球上，这样的统计数据足以让任何从事 ICT 产品和服务的人停下来思考。当然，我们认为可持续性应该成为HiPEAC 愿景 2024的重点，并专门设立一个部分介绍该领域专家的贡献。起点，即 Eeckhout 在 [1] 中引用的“可持续性”的工作定义，来自 1987 年世界经济发展委员会的《布伦特兰报告》：“可持续发展是既满足当代人的需求，又不损害子孙后代满足其自身需求的能力的发展。” [4]
电子设备的生与死
关于计算领域“可持续性”的讨论通常始于设备和基础设施运行的能源效率，也终于此问题。虽然这显然是难题的一部分，但并未考虑到可持续性的其他方面，例如材料使用和水消耗。如上所述，元素周期表中的大多数非放射性元素都用于集成电路制造，这些元素是通过提取、线性采矿过程获得的，而不是通过回收获得的。更重要的是，由于涉及牺牲层的工艺步骤，与最终芯片中的硅相比，浪费了大量材料。制造过程还使用气体、化学品、前体、金属和超纯水 [3]。在许多地区都面临水资源短缺的世界中，ICT 领域的用水也变得越来越有争议：台积电因干旱的台湾抗议活动而不得不放弃 2 纳米工厂的计划，而微软不得不改变其数据中心建设计划以遵守亚利桑那州的环境限制 [2]。
即使我们将焦点限制在能源上，我们也必须明白，生产设备所用的能量（即设备的“隐含”能量）相对大于设备运行时所用的能量（即“运行”能量）。隐含排放与“原材料提取、制造、装配、运输、维修、维护和报废处理”有关，而运行排放与“设备生命周期内的产品使用”有关。正如 Eeckhout 所指出的，隐含排放已经是或即将成为 ICT 行业温室气体排放的最大贡献者，他将其归因于对芯片的需求不断增长以及半导体制造的能源强度不断增加 [1]。
虽然节能设备可能意味着运行能耗降低，但生产设备所需的隐含能耗可能意味着改用该设备总体上不会带来可持续的结果。De Bosschere 和 Blouet 引用的一个例子是固态硬盘 (SSD)，它比硬盘耗电少，但隐含碳足迹却是硬盘的八倍 [2]。与普遍看法相反，总体上减少能源使用的途径可能是延长某项技术较旧、能耗较低的版本的使用寿命。
因此，尽管推动更节能设备的举措大受欢迎，但这还不足以实现 ICT 行业的可持续发展。正如 De Bosschere 和 Blouet 所说，“效率不是可持续发展的代表”，部分原因是反弹效应，即所谓的杰文斯悖论 [2]。杰文斯悖论以 19 世纪经济学家 WS Jevons 的名字命名，其观点是，技术改进带来的效率提高会导致某种资源（在杰文斯的案例中是煤炭）的总体消耗增加。例如，ICT 行业的效率提高导致功能增加和芯片生产更复杂，进而导致整个行业的能源使用量增加。正如 De Bosschere 和 Blouet 所指出的，虽然 ICT 行业应该从现在到 2030 年将其温室气体排放量减少 50%，以对气候努力做出贡献，但事实上，到 2030 年，数字经济的总能源消耗预计将增长 50% [2]。鉴于增加一个数据中心相当于在电网中增加一个城镇[2]，希望履行 2015 年《巴黎协定》义务的国家必须非常仔细地考虑其优先事项。
最后，除了设备在生产和运行过程中的能源、原材料和水资源消耗之外，还有一个问题：设备报废后该如何处理。2019 年，全球产生了超过 5300 万吨电子垃圾 [5]；De Bosschere 和 Blouet 指出，预计到 2030 年，这一数字将增至 7500 万吨 [2]。回收电子产品非常困难，因为电子电路由多种元件组成，而且目前回收电子产品本身需要腐蚀性酸和溶剂 [6]。正如 Ernst 等人指出的那样，这“给全球南方国家带来了双重惩罚”，它们不仅要处理原材料开采造成的环境污染，还要接收来自高收入国家的 75% 的电子垃圾 [3]，而这些电子垃圾最终会向环境中渗出有毒化学物质。
可持续发展之路
显然，真正（而非漂绿）解决 ICT 可持续性问题的尝试将涉及重新审视设备当前的生产和使用方式。起点应该是可靠的数据，没有它就不可能做出明智的决策。标准化基准（例如由 imec 的可持续半导体技术和系统 (SSTS) 计划 [1] 开发的基准）也将有助于评估行业中不同参与者的进展。一旦有数据可用，就应该用它来创建生命周期评估和模型，正如 De Bosschere 和 Blouet 指出的那样，“没有它，就不可能探索最可持续解决方案的设计空间。”[2]。”
还需要开发以可持续性为重点的设计方法：更大的芯片是否具有更大的实际占用空间？（剧透：是的 [1]）。我们能否以更可持续的设计范式创建加速器？哪些微架构可以提供更高的性能，同时降低环境足迹？低级、本机编译的语言是否比高抽象、托管的编程语言有助于降低操作占用空间？（所有这些问题都由 Eeckhout 在 [1] 中进行了讨论）。
生产技术也需要进行调整以实现可持续的结果。用于光刻工艺的生物废弃物基化学品和材料可以减少溶剂和化学品的使用，而生物基材料也可用于包装；这些领域的研究目前正在进行中 [3]。
为了实现这一切，商业模式需要重新设计，以纳入整个生命周期并考虑利润以外的其他价值。立法可能需要伴随和塑造这一转变。
最后，也许是时候开始优先考虑使用 ICT 了，它本身就是一种宝贵的资源。应该优先考虑最有益的用例，包括推动向尊重地球极限的可持续经济转变的用例。毕竟，可持续性是不可谈判的：迟早会施加物理限制，无论是矿物变得不可用，无法生产足够的能源，水资源耗尽，还是气候崩溃的灾难性影响。计算界应该在达到这一点之前采取行动。
HiPEAC 项目已获得欧盟“地平线欧洲”研究与创新资助计划的资助，资助协议编号为 101069836。本文表达的观点和意见仅代表作者本人，并不一定反映欧盟的观点和意见。欧盟和资助机构均不对此负责。
参考
[1] Eeckhout, L. 迈向可持续计算机系统，HiPEAC VIsion 2024，Rationale，第 213-220 页，https://doi.org/10.5281/zenodo.10875174
[2] De Bosschere, K. 和 Blouet, P. 可持续意味着什么？HiPEAC Vision 2024，Rationale，第 191-204 页，https://doi.org/10.5281/zenodo.10875127
[3] Ernst, T.、Ragnarsson, L.-Å. 和 Raskin, J.-P. 可持续材料和生产，HiPEAC Vision 2024，Rationale，第 205-212 页，https://doi.org/10.5281/zenodo.10875148
[4] 布伦特兰，GH，《世界环境与发展委员会报告：我们共同的未来》，1987 年，https://sustainabledevelopment.un.org/content/documents/5987our-common-future.pdf
[5] 世界卫生组织，电子垃圾（e-waste），2023 年 10 月 18 日。https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/electronic-waste-(e-waste)
[6] Hagelüken, C. Umicore 的电子废料回收。《贵金属精炼》，《Acta Metallurgica Slovaca》，第 12 卷，第 111-120 页，2006 年。
Koen De Bosschere是比利时根特大学计算机系统教授、计算机系统实验室负责人和电子与信息系统系主任。他是欧洲首屈一指的计算机系统研究人员网络 HiPEAC 的协调员、两年一度的 HiPEAC Vision 联合编辑以及每年一度的 ACACES 暑期学校的组织者。HiPEAC 通讯官Madeleine Gray自 2014 年以来一直专注于科学传播。她曾参与过多个欧洲战略计算项目，包括 EUDAT 和欧洲处理器计划以及 HiPEAC。
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