Isot jalat mutta lämmin käsi – ilmastovaikutukset kuriin kestävällä ICT:llä

ICT:n hiilijalanjälki on suuri ja se kasvaa jatkuvasti, vieläpä erittäin nopeasti. Datakeskusten energiankulutus on noussut valtamedian otsikoihin ja sitä kautta laajalti kansalaistenkin tietoisuuteen. Huolestuttavinta on, että elinkeinoelämän, julkishallinnon ja vapaa-ajan toimintojen digitalisaation myötä kulutuksen kasvu näyttää vääjäämättömältä, eikä datakeskusten kasvavaa ympäristörasitusta ole toistaiseksi saatu juurikaan hillittyä.

Samaan aikaan nähdään yleisesti, että kestävää kehitystä ei ole mahdollista saavuttaa ilman käytännössä kaikkia inhimillisen toiminnan osa-alueita koskevaa digitalisaatiota ja tekoälysovellusten laajamittaista käyttöönottoa. Vihreän teknologian nimiin vannovat asiantuntijat korostavat ICT:n kaikilla toimialoille ulottuvan hiilikädenjäljen ratkaisevaa merkitystä kestävän kehityksen mahdollistajana.

Pari sanaa terminologiasta. Hiilijalanjälki on kasvihuonekaasujen määrä, joka vapautuu ilmakehään tietyn toiminnan seurauksena. Hiilikädenjälki puolestaan tarkoittaa positiivista ilmastovaikutusta, jota tuotteen tai palvelun käyttäminen saa aikaan muihin vastaaviin tuotteisiin tai palveluihin verrattuna. Sekä hiilijalanjälkeä että -kädenjälkeä voidaan soveltaa yksilön, organisaation tai jopa kansakunnan toimintaan.

Turun yliopisto on laskenut oman hiilijalanjälkensä ensimmäisenä yliopistona ja yhtenä ensimmäisistä organisaatioista Suomessa. Laskenta ei tietenkään ole helppoa tai kovin tarkkaa, mutta sen käytännön toimivuudesta saatiin hyvä esimerkki, kun uusi laskenta osoitti jalanjälkemme vuonna 2020 pienentyneen noin puoleen edellisestä vuodesta koronapandemian johdosta. Matkustamisen dramaattisella vähenemisellä oli tässä iso rooli, mutta myös pysyvämpää myönteistä kehitystä tapahtuu koko ajan. Varsin edistyksellinen tavoitteemme hiilineutraalisuudesta vuonna 2025 vaatii meitä jatkamaan toimiamme tarmokkaasti.

Ovatko ICT:n roolia koskevat vastakkaiset näkökohdat esittäjänsä näköisiä ideologisia väitteitä? Vai onko ICT:n jalan- ja kädenjälkeä kuvaava yhtälö perustavanlaatuisesti ristiriitainen? Onko ICT:n jalanjälki ylipäätään sovitettavissa yhteen sen välttämättömänä pidetyn pelastavan kädenjäljen kanssa? Mitä asialle voi ja pitäisi tehdä? Pitäisikö meidän ilmastotekona pyrkiä suorastaan vastustamaan digitalisaatiota, vai päin vastoin rakentaa kannustimia entistäkin nopeampaan digisiirtymään ja tekoälysovellusten käyttöönottoon kaikilla elämänaloilla?

Kestävä kehitys on toki paljon muutakin kuin hiilijalanjälki. Tapaus ICT on kuitenkin niin monimutkainen, että keskityn tässä pelkästään energiankulutuksen kautta syntyvään ympäristövaikutukseen. Kehitys on hyvin nopeaa ja osin arvaamatonta, mutta pyrin avaamaan keskeisimpiä ICT:n rooliin vaikuttavia teknologisia haasteita ja kaupallisia muutosvoimia.

ICT:n jalanjälki

ICT:n hiilijalanjäljen keskeisinä komponentteina voidaan erottaa pilvipalveluiden ja tekoälyn laajeneva käyttö sekä kasvavan tiedonsiirron rooli. Kestävä ICT tarkoittaa tässä tarkastelussa energiatehokkaita datakeskuksia, energiatehokasta tekoälyä ja energiatehokasta tiedonsiirtoa.

Datakeskukset käyttävät jo tänään noin 3 % maailman sähköenergiasta. Mietittäessä onko se vähän vai paljon, voi vertailukohdaksi ottaa vaikkapa Iso-Britannian, jonka osuus maailman kokonaiskulutuksesta on noin 2 %. Merkittävää on, että datakeskusten osuuden arvioidaan kasvavan jo kuluvan vuosikymmenen loppuun mennessä yli 20 prosenttiin. Millä tahansa muulla toimialalla näin suuri ympäristökuormituksen kasvu tulisi ykskantaan tuomituksi, mutta pilvipalveluiden kohdalla on helppo nähdä myös kiistattomia positiivisia vaikutuksia: esimerkiksi nykyisenä pandemia-aikana meille kaikille on käynyt selväksi, miten etäyhteydet vähentävät matkustamista.

Videokuvaa käyttävien pilvipalvelujen käytön yleistyminen onkin suurimpia datakeskusten sähkönkulutuksen kasvattajia. Toinen merkittävä tekijä on tekoälysovellusten käyttämän massiivisen datan analysoinnin vaatima massiivinen laskenta. Vaikka tämä laskenta piiloutuukin kuluttajalta, se aiheuttaa jo tänään hyvin merkittävää sähkönkulutusta. Julkisuudessa esillä olevat esimerkit ovat toisinaan kryptisiä: kryptovaluutan louhinnan merkitys ei hevin avaudu valuutan käyttäjälle. Mutta myös monet sosiaalisen median yksilöllisesti kohdennetut palvelut ja melkein kaikki tekoälysovellukset perustuvat varsin vaativaan laskentaan.

Ehkä oleellisinta on ymmärtää tämän laskennan huikea kasvu: kapasiteetin tarve näyttää kaksinkertaistuvan noin 100 päivässä! Kasvu on siis merkittävästi nopeampaa kuin jo pitkään Mooren lakina tunnettu tietokoneiden laskentatehokkuuden kasvutrendi, kaksinkertaistuminen noin 18 kuukaudessa.

EU:n tuore historiallisen mittava elpymispaketti on parhaillaan jäsenmaiden hyväksyttävänä. On esitetty arveluja, että rahoituksen suuruus ja vahva kohdennus vihreään teknologiaan ja digitalisaatioon voi aiheuttaa tuotannon pullonkauloja, saatavuuden heikkenemistä ja hintojen nousua. On nähtävissä, että kaupallisen datakeskustoiminnan skaalaaminen tekoälylaskennan vaatiman kapasiteetin tarpeen kasvua vastaavasti voi osoittautua juuri tällaiseksi haasteeksi.

Tiedonsiirron energiankulutuksen osalta julkisuuteen ovat nousseet erityisesti suoratoistopalvelut kuten YouTube kissavideoineen. Tässä me digi-innokkaat suomalaiset kansainvälisesti katsoen halpoine kuukausihinnoiteltuine mobiililaajakaistoinemme näyttäydymme pahiksina. Verkon käyttöä niin työssä kuin vapaa-ajallakin ei silti ole syytä julistaa pannaan. Teknologisella yleissivistyksellä on kuitenkin saavutettavissa merkittävää säästöä: mobiililaajakaista kuluttaa energiaa jopa kymmenkertaisesti valokuituun verrattuna, ja siksi sen käyttö olisi syytä rajoittaa tilanteisiin, missä siitä on aitoa lisäarvoa.

Merkittävä kulutuksen lisäys aiheutuu 5G-teknologiaan siirtymisestä ja IoT-sovellusten (esineitten internetin) yleistymisestä. Verkkoon kytkeytyneiden IoT-laitteiden määrän arvioidaan kolminkertaistuvan nykyisestä 25 miljardista 75 miljardiin jo vuoteen 2025 mennessä. Teknologiana 5G mahdollistaa noin miljoona kytkettyä laitetta neliökilometrillä; noin kymmenkertaisesti 4G:hen nähden. Kun lisäksi 5G-teknologian energiankulutus on kolmin-nelinkertainen 4G:hen verrattuna, voidaan todeta tiedonsiirron energiankulutuksen monikymmenkertaistuvan kuluvalla vuosikymmenellä jo pelkästään tästä syystä; kissavideoiden suoratoiston suosion kehityksestä riippumatta.

Kestävä ICT

Mitä sitten voisimme tehdä, jotta ICT:n energiankulutus saataisiin aisoihin? Nykyinen tekoälyvallankumous perustuu massiivisen datan käyttöön: koneoppiminen vaatii paljon dataa, aikaa – ja energiaa!  Haasteena on siis nopeasti, vähällä datalla oppiva tekoäly. Tätä tutkitaan myös meillä Turussa. Vaikka disruptiiviset teknologiat, kuten optiset tietokoneet tai kvanttilaskenta (joita myös tutkitaan meillä Turussa) siintävät jo horisontissa yhdessä fuusioenergian kanssa, kaupallisia sovelluksia saanemme vielä odottaa vuosikausia. Tekoäly ei vieläkään, modernin syväoppimisen tuoman läpimurron jälkeen, ole valmis, eikä katsetta voi siirtää pelkästään laadukkaan datan hankkimiseen ja kaupallisten sovellusten käyttöönoton esteiden poistamiseen organisaatioissa. Perinteinen, jo 1960-luvulla Turussa alkanut algoritmitutkimus on jälleen kerran uuden haasteen edessä.

Sähkönkulutus kytkeytyy mielenkiintoisesti sovellusten tietoturvaan ja ihmisten yksityisyyden varjelemiseen. Digitalisaation myötä lisääntyy nimittäin myös ”tuottamaton” puolustuslaskenta, jota sovellusten täytyy jatkuvasti ylläpitää tietoturvauhkien loitolla pitämiseksi. Kyseessä on uusi digitaalisen ilkivallan muoto, joka lankeaa kaikkien yhteisestä pussista maksettavaksi; tässäpä turkulaisille tietoturvatutkijoille uusi relevantti tieteidenvälinen haaste.

Datakeskusten optimoinnilla on keskeinen rooli vihreiden pilvipalveluiden tuotannossa. Nyrkkisääntö on, että jo 20 % laskentakuorma kuluttaa noin 80 % maksimitehosta. Siksi kuormanhallinta on elintärkeää. Taas tulee ohjelmisto-osaajille ja optimoijille lisää töitä, myös meillä Turussa. Parhaiten tätäkin haastetta lähestytään monitieteisesti: suotavaa olisi esimerkiksi tutkia mahdollisuuksia asettaa lainsäädännön keinoin datakeskuksille ”tyhjäkäyntirajoituksia” autojen tapaan.

Myös keskusten energiatehokas jäähdytys on tärkeätä. Uudet keskukset ovat usein vesijäähdytteisiä, ja meillä suomalaisilla on pitkä kokemus kaukolämmön tuotannossa. Tätä osaamista pitäisi nyt soveltaa datakeskuksiin niiden tuottaman hukkalämmön talteen ottamiseksi.

Siirrettävän datan vähentäminen on ilmeinen keino tiedonsiirron energiatehokkuuden parantamiseksi. Onkin jännittävää, miten jo 1980-luvulla Turussakin tutkitusta tiedon pakkaamisesta on taas tullut tärkeä tutkimuskohde, vaikka se jo miltei julistettiin kuolleeksi tallennusvälineiden kapasiteetin kasvettua räjähdysmäisesti. Tiedonsiirron kehitys ei huikeasta edistyksestään huolimatta ole pysynyt tallennuskapasiteetin ja dataliikenteen kasvun mukana. Vääräleukojen mukaan sekä nopeuden että energiakulutuksen kannalta kilpailukykyinen tiedonsiirron menetelmä onkin lähettää säkillinen täyteen pakattuja muistikortteja perinnepostissa tai kuriirin matkassa.

Viime vuosina on meillä Turussakin tutkittu niin sanottua sumulaskentaa. Sen ideana on, että kaikkea laskentaa ei suoriteta pilvessä, jonne päätelaitteilla syntyvä data pitää siirtää laskentaa varten, vaan laskenta hajautetaan pilven keski- ja reunaosien väliin ”sumuun”. Näin kyetään vähentämään tiedonsiirron tarvetta, mutta koska reunan päätelaitteiden energiatehokkuus on yleensä merkittävästi pilveä heikompi, ei kokonaistehokkaan ratkaisun kehittäminen ole helppoa.

Näyttää siis siltä, että helppoja ratkaisuja ei ole, vaan perusongelma on ja pysyy: muiden toimialojen hiilijalanjälkeä kyetään parantamaan merkittävästi ICT:n avulla, mutta samalla ICT:n oma jalanjälki kasvaa. Teknologian kehittämiseen liittyy myös merkittäviä kerrannaisvaikutuksia: esimerkiksi sirujen laskentatehokkuuden lisääminen paitsi kasvattaa niiden omaa sähkönkulutusta, myös aiheuttaa tyypillisesti moninkertaisen muutoksen erilaisissa tukifunktioissa, kuten jäähdytyksessä.

Onneksi riippuvuus pätee kumpaankin suuntaan: siruteknologian energiatehokkuuden paraneminen vähentää moninkertaisesti myös tukifunktioiden energiankulutusta. Siksi pienikin parannus ”rautaosastolla” on merkittävää. Myös IoT-laitteiden laaja esiinmarssi korostaa vähäisellä tai olemattomalla tehonkulutuksella toimivan teknologian merkitystä. Siksi prosessorien ja muiden sirujen energiankulutuksen vähentämiseen kannattaa edelleen panostaa.

Vihreä siirtymä

Vihreä siirtymä on mahdoton ilman ICT:tä. Digitalisaatiolla ja tekoälyllä saadaan selkeä parannus moniin ongelmiin. Voimalaitosten, tehtaiden, koneiden ja laitteiden toimintaa voidaan optimoida ja energiankulutusta pienentää. Samoin maa-, meri-, ilma- ja tietoliikenteen energiankulutusta voidaan vähentää. Yhteyksiä voidaan reitittää kiinteätä ja mobiilia verkkoa sekä eri päätelaitteita yhdistellen ja niiden laatua säätää tarpeiden ja olosuhteiden mukaan.

Sen lisäksi, että sähkön kulutuksen kasvua voidaan hillitä, sähkön tuotantoa ja kulutusta voidaan ajallisesti puskuroida älykkään kaksisuuntaisen sähköverkon avulla, johon liittyy miljoonien sähköautojen muodostama hajautettu akkukapasiteetti. Mahdollisuudet ovat lähes rajattomat. Tämän hetken ongelmana kuitenkin on, että tekoälypalveluiden kysyntä kasvaa nopeammin kuin niiden avulla tuotetut säästöt.

Climate Leadership Coalition (CLC) on Sitran ja johtavien suomalaisten yritysten vuonna 2014 perustama think tank, Euroopan suurin voittoa tavoittelematon ilmasto-businessverkosto. Sen jäseninä on 87 organisaatiota mukaan lukien 9 yliopistoa, myös Turun yliopisto. Missionsa mukaisesti ”CLC uskoo, että siirtymä kestävään kehitykseen perustuvaan maailmaan on mahdollista, taloudellisesti järkevää ja rahoitettavissa”.

CLC on organisoinut toimintansa 13 teemaryhmään. ICT-ryhmässä, jonka toiminnassa olen mukana Turun yliopiston edustajana, painotamme erityisesti ICT:n hiilikädenjäljen kasvattamista. Uskomme, että vaikka tarkkoja laskelmia onkin mahdoton tehdä, ICT:n kädenjälki on ja sen on mahdollista olla merkittävästi ICT:n omaa jalanjälkeä suurempi. Positiivisen nettovaikutuksen kokoon ja sen kasvuun voimme mekin yliopistona vaikuttaa monin tavoin: tutkimuksen ja koulutuksen kautta sekä omalla esimerkillämme.

Vihreä siirtymä on mahdollinen, mutta kestävään kehitykseen vaaditaan kestävää ICT:tä. Se tuo – sen on tuotava – mukanaan myös kulttuurisen muutoksen. Yhteiskunnan on ymmärrettävä, että datasta on tullut tärkein raaka-aine, ja laskentakapasiteettia tulee pitää rajallisena luonnonvarana. Myös insinöörikulttuurissa vaaditaan muutosta: ongelmaa tulee pitää ratkaistuna vasta, kun se on ratkaistu kestävällä tavalla.

ICT:n potentiaalinen kädenjälki kaikilla toimialoilla on valtava – mukaan lukien ICT itse. Sillä on kuitenkin myös oma, merkittävä jalanjälki, jota ei voi jättää ottamatta huomioon. Mitä pienempi jalanjälki, sitä suurempi kädenjälki!

Tapio Salakoski
Kirjoittaja on matemaattis-luonnontieteellisen tiedekunnan dekaani, tekoälytutkija ja opettaja sekä monialaisen sivistysyliopiston vankkumaton kannattaja.