Mittaamisella kohti vihreämpiä prosesseja ja ohjelmistoja

Tietokoneiden energiatehokkuus on kehittynyt huimasti verrattuna ENIAC:iin, 1945 valmistuneeseen ensimmäiseen yleiskäyttöiseen ohjelmoitavaan tietokoneeseen. Siinä missä ENIAC:n tehonkulutus oli noin 150 kW, nykyiset kannettavat tietokoneet kuluttavat enää keskimäärin 30–70 W ja tehokkaat pelikoneetkin keskimäärin 200–500 W. Silti tietotekniikan energiankulutuksen arvioidaan yltävän jo 10 prosenttiin sähköenergian kokonaiskulutuksesta. Kulutus myös kasvaa jatkuvasti ja sitä selittävät tietotekniikan yleistymisen lisäksi pilvilaskennan ja datakeskusten voimakas kasvu. Kulutuksen voi nähdä kytkeytyvän nykyään välillisesti niillä käytettyjen ohjelmistojen ja käsiteltyjen datavirtojen määriin. Vain osa energiasta tuotetaan vihreästi, joten kulutuksen kasvu lisää myös päästöjä.

Tarkastellaan esimerkkinä nettisivun lataamista. Yksi sivulataus tuottaa arviolta noin 0,8–4,61 g CO2-päästöjä. Suuri vaihteluväli johtuu eri tavoista laskea kyseinen kulutus. Kulutus muodostuu datansiirrosta, verkkotietojen energiaintensiteetistä, datakeskuksen energialähteestä, sähkön hiili-intensiteetistä sekä yksinkertaisesti siitä, paljonko liikennettä nettisivulla on. Tarkastellaan sivustoa, joka tuottaa n. 2,7 g CO2-päästöjä per sivulataus ja jota ladataan 10 000 kertaa kuukaudessa. Sivuston vuosittainen CO2-päästömäärä olisi jopa 324 kg. Samalla päästömäärällä tuotettaisiin 150 kpl noin 150 gramman painoista pihviä, eli yhteensä 22,2 kg lihaa!

Onko ohjelmistojen energian mittaaminen edes tärkeää? Yleisesti voi todeta, että ainut tapa saada selville, täyttääkö jokin prosessi sen tavoitteet ja voidaanko sitä kehittää, on mitata sitä.

Mittauksen rooli tiedon validoinnissa

ICT-järjestelmien ympäristövaikutusten analysointi on kompleksinen kokonaisuus. Sitä voidaan karkeasti arvioida ns. top down -näkökulmasta valikoimalla tarkasteluun eri abstraktiotasojen toiminnallisia yksiköitä ikään kuin ulkoapäin havainnoitavina mustina laatikkoina. Viime kädessä järjestelmien suunnittelun ja käyttöönoton yhteydessä arvioidut ympäristövaikutukset validoidaan konkreettisesti mittaamalla. Mittaamisen haasteina on mm. mitä, millä ja miten mitataan ja mikä on mittaustuloksen ja järjestelmien ympäristövaikutusten yhteys.

VISIIRI-projektissa Turun yliopiston johtamassa osiossa tarkastellaan ympäristövaikutuksia erityisesti ohjelmiston vaikutusten näkökulmasta. Ohjelmistot koostuvat verrattain pienistä komponenteista, joita voidaan skaalata käyttöön hyvin laajalti. Ohjelmistojen mittaaminen voi edellyttää siis hyvin pienten osien vaikutusten identifiointia kokonaisuudesta. Vaikutusten laajuus vaikuttaa siihen, millä tarkkuudella ja laitteistolla mittaus suoritetaan. Mittaus tyypillisesti tuottaa dataa virran- tai tehonkulutuksesta, joka tietyllä aikavälillä on laskettavissa energiaksi ja erilaisia ympäristövaikutusten malleja (mm. Software Carbon Intensity) käyttäen mm. CO₂-ekvivalenteiksi päästöiksi.

Laitteistojen moninaisuuden haasteet

Ideaalisti ICT:n energiankulutus tulisi voida mitata laitteiston tyypistä ja käyttötavoista riippumatta. Haluammehan tietää koko alan ympäristövaikutuksen emmekä vain osaoptimoida yksittäisiä käyttökohteita. Tilannetta haastavat alati jatkuva ja nopea tekninen kehitys sekä järjestelmien arkkitehtuuritason suuret muutokset, jotka määrittävät uusia toimintaympäristöjä ja -tapoja sekä painotuksia energian kokonaiskulutukseen.

ICT-järjestelmien käyttämän energian mittaamisessa voidaan nykyisin nähdä kolme keskeistä ongelmaa: 1) laitteistojen moninaisuus, 2) laitteistojen tuen puute mittaamiselle sekä 3) pilvipalvelut, joista saatava mittadata on palveluntarjoajan tarjoamien rajapintojen (esim. AWS Customer Carbon Footprint Tool) varassa.

VISIIRI-projektissa kohdan 1) haasteita on lähestytty kartoittamalla toimintaympäristöjä ja tapoja mitata niitä erillisillä laitteistopohjaisilla mittareilla. Mittamenetelmien mukaan laitteet voidaan karkeasti jakaa pieni- ja suuritehoisiin mobiililaitteisiin, näitä kiinteämpiin tietokoneasennuksiin sekä pieni- ja suurivirtaisiin oheislaitteisiin. Eri laitetyyppejä voidaan mitata erilaisilla mittareilla, jotka ottavat huomioon laitteiden erityispiirteet kuten esimerkiksi toiminnan akkuvirralla. Mittaamista rajoittavat mm. mittarien tarkkuus, laitteiden tehontarve, asennusten helppous ja käytännöllisyys toimintaympäristössä sekä yleistettävyyden osalta mm. mittarien hinta. Yksi VISIIRI-projektin tulos onkin kerätä kokemuksia hyvistä mittauskäytänteistä ja muodostaa niistä käyttökelpoisia suosituksia laajempaan käyttöönottoon.

Kartoituksen yksi sivutulos on myös ns. liikuteltavan mittauslaboratorion konsepti eli rack-mallinen tietokone (Kuva1), johon olemme rakentaneet erilaisten laitteistopohjaisten mittarien kokonaisuuden. Laitteistolla on mahdollista mitata erityyppisten ICT-laitteiden kulutus, mukaan lukien langalliset ja langattomat verkkolaitteet. Aiempaan MitViDi-hankkeessa (Mittarit vihreän digitalisaation julkisiin ICT-hankintoihin) kehitettyyn prototyyppiin verrattuna mittauslaboratorio mahdollistaa systemaattisemman mittauksen useita mitattavia laiteyksikköjä käyttäen, huomattavasti laajemman laitetyyppien tuen sekä tulosten automaattisen koostamisen.

Kuva 1: Mittauslaboratorion prototyyppiversio. Jari-Matti Mäkelä, Turun yliopisto. 

Mittaus olisi paljon suoraviivaisempaa, mikäli laitteet tarjoaisivat itse tuen kulutuksensa mittaamiselle (kohta 2). Osassa laitteita onkin tähän jo rajapintoja (mm. Nvidia VML ja Intel RAPL). Valitettavasti laitteiden tuki on hyvin vaihtelevaa ja kokonaisuuden sijaan mittadataa voidaan saada kerättyä vain yksittäisten toiminnallisten yksiköiden kulutuksesta. VISIIRI-projektissa kartoitetaan myös laitteistojen valmista tukea ja tarkastellaan, miten eri lähteistä saatava data on sovitettavissa yhteen mm. ajallisesti ja tarkkuutensa osalta, ja miten eri osatuloksia voidaan käyttää kokonaiskuvan rakentamisessa. VISIIRI-projektilla lienee varsin vähäinen vaikutus kannustaa valmistajia lisäämään laitteidensa mitattavuutta, mutta kartoitustyö antaa kuvaa laitteisiin integroidun tuen asteesta ja auttaa valikoimaan laitteita, jotka tarjoavat tätä tukea.

Ohjelmistojen mittaamisen menetelmät

Ohjelmistojen kulutuksen mittaaminen eroaa ICT-laitteiston vastaavasta. Ohjelmistohan on pohjimmiltaan abstrakti algoritmi ja kulutus ohjelmiston suorittamisesta tietyllä laitteistolla seuraava sivuvaikutus. Ohjelmiston osuus kulutuksesta vaikuttaisi olevan pienen pohdinnan jälkeen laskettavissa vähentämällä kulutuksesta lähtötaso laitteiston ollessa tyhjäkäynnillä. Valitettavasti tilanne on monimutkaisempi, sillä ohjelmisto vaikuttaa epäsuorasti laajaan joukkoon laitteita (mm. verkkolaitteet internetin runkoverkkoja myöden), laitteilla on erilaisia energiansäästötiloja ja toisaalta tehtävään varatun laitteiston parametrit on lähtökohtaisesti mitoitettu sen suorittamiseen liittyvän dynaamisen resurssitarpeen mukaan. Pilvipalvelut abstrahoivat tilannetta entisestään ja pakottavat huomioimaan mm. energiantuotannon vaikutusten erot maantieteellisen sijainnin mukaan.

Toinen kulutuksen mittaamiseen liittyvä haaste on mittareista kerättävän datan käyttökelpoisuus. Osa mittareista tarjoaa hetkittäisen ”kojelautanäkymän”, jota voi käyttää tehonkulutuksen hetkelliseen havainnointiin, mutta tulos ei suoraan sovellu energiankulutuksen määritykseen tietyllä aikavälillä. Raportoinnin aikaväli voi olla myös niin pitkä, että ohjelmiston yksittäisen toiminnon erittely vaikeutuu. Aikavälin lisäksi mittarien tulosten ja raportoinnin tarkkuus voivat vaihdella. Eri mittarien datan yhdistäminen vaatii myös aikaleimojen yhteensovittamista. On myös mahdollista, että suoraa mittadataa ei yksinkertaisesti ole saatavilla ja kulutus pitää estimoida esimerkiksi ohjelmiston resurssikulutuksesta aiemman, mittadataan pohjautuvan mallin pohjalta (esim. NorthCoden Project Aurora).

VISIIRI-projektin yksi konkreettinen tulos on ohjelmiston mittaamiseen tarkoitetun työkalun implementointi. Turun yliopiston kehittämän PowerGoblin-työkalun (Kuva 2) tavoite on mallintaa systemaattisen mittaamisen prosessi ja siihen liittyvät abstraktit käsitteet (mm. istunto, mittaus, ajo, tapahtuma), kerätä eri lähteistä (mm. laitteisto- ja ohjelmistopohjaiset mittarit) saatavaa resurssi- ja mittadataa yhteensopivaan muotoon sekä tarjota se käyttökelpoisessa muodossa jatkoanalysointia varten. Projektissa työkalu on keskeisessä roolissa mm. eri ohjelmistojen benchmark-tietokannan laadinnassa.

Kuva 2: PowerGoblin-työkalun mittauksen monitorointinäkymä. Jari-Matti Mäkelä, Turun yliopisto. 

Kohti laajempaa tietoisuutta ohjelmistojen kulutuksesta

VISIIRI-projektissa kehitettyjen mittaamisen menetelmien todellisena tulikasteena toimivat eri osatulosten yhdistäminen ja soveltaminen käytännössä. Kartoitamme projektissa erilaisia ympäristövaikutusten mittaamisen kannalta oleellisia ICT-järjestelmiä. Kartoituksen apuna on käytetty myös VISIIRI-projektin yhteydessä 27.11. järjestetyn kansallisen ekosysteemitapaamisen osallistujilta kerättyjä kommentteja ympäristövaikutuksiltaan tärkeistä järjestelmistä. Järjestelmien mittaaminen itsessään tuottaa jo kiinnostavia tuloksia (benchmark-tietokanta) eri vaihtoehtoisten toteutusten kulutuksen eroista. Tietokannan rakentamisen ohella kehitämme erilaisia mittausjärjestelyjä erityyppisten järjestelmien mittaamiseen. Toivomme, että valmiiksi suunniteltujen mittausjärjestelyjen ja -tulosten myötä konkreettisten mittaamiskäytäntöjen jalkauttaminen eri organisaatioihin myös helpottuisi.

VISIIRI-projekti järjestää säännöllisiä valtakunnallisia Green ICT -tapaamisia, joiden tarkoituksena on kansallisen yhteistyön lisääminen. Katso tulevat tapahtumat ja aikaisempien tapahtumien tallenteet tästä! 

 

LÄHTEET

https://cse.engin.umich.edu/about/history/eniac-display/

https://www.energysage.com/electricity/house-watts/how-many-watts-does-a-computer-use/

https://en.reset.org/whats-carbon-footprint-your-website/

https://www.websitecarbon.com/

https://openco2.net/en/co2-converter

https://sci.greensoftware.foundation/

https://aws.amazon.com/aws-cost-management/aws-customer-carbon-footprint-tool/

Weaver, Vincent M., et al. ”Measuring energy and power with PAPI.” 2012 41st international conference on parallel processing workshops. IEEE, 2012.

 

KIRJOITTAJAT 

Jari-Matti Mäkelä ja Katariina Moilanen 

Mäkelä toimii Turun yliopistossa ohjelmistotekniikan yliopisto-opettajana sekä väitöskirjatutkijana aiheenaan rinakkaisohjelmointi ja ohjelmointikielten kääntäminen. Hänen tutkimusaiheitaan ovat edellisten lisäksi vihreä ohjelmointi, tietoturva ja virtualisointitekniikat. 

Moilanen työskentelee Turun yliopistossa VISIIRI-projektin tutkimusavustajana. 

Turun yliopistossa on panostettu ohjelmistojen ja koodin ilmasto- ja ympäristövaikutusten konkreettisten vaikutusten mittaamisen tutkimukseen. Turun yliopisto toimi aiemman MitViDi-hankkeen vetäjänä, jossa kehitettiin energiatehokkuuden mittareita ohjelmistokehitysympäristöön.