Computadores & periféricos -- seu impacto energético e ambiental

Ao fazer um oportuno e preciso comentário à postagem sobre a capacidade superlativa dos computadores de hoje em relação aos sistemas computacionais das missões espaciais Apollo, meu caro amigo Carlos Cassino chamou-me a atenção para um detalhe que, confesso, me passava despercebido e sobre o qual não se lê nem se ouve muito na mídia mundana: o impacto energético e ambiental do mundo computacional.  Decidi, então, dar uma olhada nisso e os dados disponíveis são realmente impressionantes. O assunto é tipicamente da alçada e competência do PROCEL - Programama Nacional de Conservação de Energia Elétrica -- pretendo dedicar uma outra postagem sobre a abordagem do tema no Brasil, caso haja alguma.

Onipresentes em todas as atividades individuais e empresariais modernas, os computadores e seus periféricos são ávidos consumidores de energia e têm uma contribuição nada desprezível nas emissões de CO₂. Em artigo publicado em agosto de 2004, disponível em formato "pdf" (Power management in networked devices ), os autores Ken Christensen (University of South Florida), Bruce Nordman and Rich Brown ( Lawrence Berkeley National Laboratory) comentam que as redes computacionais têm custos, e um deles provém da energia adicional que esses dispositivos eletrônicos consomem quando ligados às suas redes e ao sistema elétrico.

Segundo o artigo, estudos recentes indicam que o impacto econômico e ambiental desse uso de energia é substancial (www.eere.energy.gov/buildings/documents/pdf/office_telecom-vol1_final.pdf).  Em 1999, por exemplo, equipamentos de escritório e de rede -- basicamente PCs ligados à Internet -- foram responsáveis por cerca de 2% do consumo de energia elétrica dos EUA  (http://enduse.lbl.gov/Info/LBNL- 45917b.pdf). Isso corresponde a aproximadamente US$ 6 bilhões em custos de energia e à emissão de mais de 50 milhões de toneladas métricas de dióxido de carbono por ano!

Sempre segundo Christensen et alii, estima-se que nas próximas duas décadas o consumo de energia de disposititivos lincados digitalmente em redes aumentará mais rapidamente do que outros tipos de uso de energia em prédios em geral. Muitos desses dispositivos não serão PCs, mas tecnologias emergentes projetadas muito mais para os lares do que para escritórios.

Gestão de energia (power management), uma característica padrão dos PCs modernos, foi desenvolvida inicialmente para aumentar a vida útil da bateria em PCs do tipo laptop, que historicamente não eram rede-conectados quando usavam a energia da bateria. Hoje, entretanto, muitos laptops são conectados a uma rede -- tipicamente, uma rede Wi-Fi -- como ocorre com a maioria dos computadores desktop.

A Advanced Configuration and Power Interface (www.acpi.info) — uma especificação aberta [de livre acesso] da indústria de computação desenvolvida em conjunto por Hewlett-Packard, Intel, Microsoft, Phoenix, e Toshiba— define interfaces padrões para gestão de energia em PCs modernos. PCs que utilizam o Microsoft Windows XP e outros sistemas operacionais correntes podem entrar em estado ou regime de "sono" (sleep state) que, tipicamente, reduz o consumo geral de energia em mais de 90% [ao traduzir "sleep state" fui tentado a usar "estado de hibernação", mas desisti depois que vi mais de um artigo em computês chamando atenção para a diferença entre "dormir" e "hibernar" no mundo computacional].

Entretanto, modos de "sono" de baixo consumo de energia não são compatíveis com conectividade de rede. Consequentemente, em cerca de 95% de PCs desktop a gestão de energia é desativada, quer quando são configurados/ligados ou na primeira vez em que essa característica interferir com uma aplicação da rede. A gestão de energia em monitores está presente na maioria dos PCs, mas dezenas de milhões mais poderiam ser ativados.

Estimamos [dizem os autores] que tornar possível um uso mais amplo das características de gestão de energia já existentes em sistemas computacionais propiciaria, dentro de poucos anos, uma economia de 11 a 36 TeraWatt-horas -- algo na faixa de US$ 0,8 a US$ 2,7 bilhões -- por ano. Entretanto, atingir essas economias sem perturbar ou interromper o desempenho do sistema exigirá a fabricação e desenvolvimento de dispositivos, aplicações e protocolos de rede mais "energia-conscientes" ("energy aware").

Consumo induzido

A maioria dos PCs são deixados a plena carga, mesmo quando seus usuários não necessitam usar seus recursos na maior parte do tempo. Isso se deve em grande parte porque tais recursos são cada vez mais compartilhados e precisam estar disponíveis e acessíveis por usuários remotos e outros computadores 24 h/dia, 7 dias na semana. As empresas usualmente fazem becape de arquivos e atualizam softwares durante a noite, e muitas aplicações distribuídas, incluindo aplicações de bases de dados com os terminais de entrada (front-ends) de clientes, exigem conexões TCP [Transmission Control Protocol]  em tempo integral. 

Inúmeros protocolos existentes e emergentes, incluindo o Universal Plug and Play, exigem que os dispositivos eletrônicos dos consumidores respondam a mensagens rotineiras de "manutenção caseira" ("house-keeping"), para tarefas tais como a manutenção de endereços IP e de "tabelas de rota/envio" (routing tables), caso contrário eles correm o risco de desaparecer da rede.  Protocolos de rede destinados a prover segurança ou proteger conteúdos podem também aumentar o tempo de conexão dos computadores.

Controladores de interface de rede [NICs, em inglês] Ethernet existentes, que podem operar com energia auxiliar quando um PC está em regime de "sono" de baixo consumo de energia, oferecem uma solução possível para o problema de consumo induzido. Os NICs podem despertar o sistema principal quando receberem um pacote projetado para esse fim ou tipos específicos de pacotes comuns de IP.

A adição de capacidades de proxy poderia habilitar os NICs a responder diretamente à maioria das mensagens de protocolo de baixo nível, deflagrando um "despertar" apenas quando estiver lidando com uma mensagem que exija os recursos do sistema principal. [...] O conceito de proxying para gestão de energia -- acrescentando novos hardwares e softwares a um sistema para reduzir o consumo geral de energia -- exige pesquisa adicional [isto dito em 2004].

Aumentando as taxas de lincagem de dados de rede

As taxas de lincagem de dados para desktops com fios ligados à Internet aumentaram de 10 Mbps para 1 Gbps, o que é um estresse a mais para os recursos do sistema computacional. Dentro de poucos anos, NICs de 10-Gbps, que alguns servidores atualmente usam [lembrete: este é um artigo de 2004], podem tornar-se padrões em PCs desktops. O consumo de um NIC de 10-Mbps é da ordem de 1 watt, enquanto o de um NIC de 10-Gbps é da ordem de dezenas de watts [ou seja, cerca de 10 vezes maior]. 

A redução da taxa de lincagem de dados de rede para PCs em regime de baixo consumo de energia não afetaria a produtividade do usuário. Já existem mecanismos de autonegociação do Ethernet que permitem a mudança dessa taxa de lincagem. Entretanto, são necessários novos métodos para modular as taxas de lincagem de rede com os níveis de tráfego, de modo a escalonar o consumo de energia com a efetiva demanda do serviço. Por exemplo, os NICs podem ser projetados para ter funcionalidade escalonada e regimes de [consumo de] de energia semelhantes ao do sistema principal de PCs. Uma aplicação coletiva dessa estratégia seria capaz de, potencialmente, economizar perto de 1 TeraWatt-hora por ano apenas em computadores pessoais nos EUA.

Proliferação de monitores

A rápida transição da tecnologia de CRT [sigla em inglês para Tubo de Raios Catódicos] para a de LCD [sigla inglesa para Monitor de Cristal Líquido], combinada com a facilidade cada vez maior (e frequentemente sem fio) de conexão em rede, tornou possível a utilização de uma multiplicidade de monitores -- cada um consumindo dezenas de watts -- em residências e edifícios comerciais. Em muitas aplicações, monitores de LCD estão substituindo monitores anteriormente desenergizados. Esse grande número de monitores, máquinas hospedeiras (hosts), e interfaces de rede pode aumentar significativamente o consumo de energia.  

Embora a gestão de energia esteja presente na maioria dos monitores de PCs, é necessária pesquisa para desenvolver protocolos de comunicação para cenários evolutivos de uso de monitores e interfaces cada vez mais sofisticadas -- tanto entre dispositivos como entre usuários -- que facilitem uma gestão de energia mais robusta [repito, novamente, que este é um artigo de 2004]. Monitores devem permanecer dormindo ou desligados quando não forem necessários -- no mínimo, o processador e a interface de rede devem estar em regime de baixo consumo, exceto quando estiverem atualizando explicitamente dados de monitor ou visualização.

Pesquisa em andamento [em 2004]

A próxima geração de dispositivos e sensores de rede sem fios motiva muito do trabalho em andamento sobre gestão de energia. A proliferação de aplicações e armazenamentos centrais de dados em rede tem gerado preocupações sobre o uso de energia, custos de infraestrutura de energia e refrigeração de centros de dados. 

Pesquisadores estão desenvolvendo novos protocolos e padrões de rede para compartilhamento de arquivos, pacotes de direcionamento (routing packets), etc, para combinar melhor -- em tempo real -- os recursos dos servidores com a carga. Estão trabalhando igualmente em métodos para reduzir o aquecimento em processadores e aumentar a vida útil de baterias de dispositivos portáteis que os utilizam. Além disso, tecnologias novas [em 2004 ...] tais como RAM magnético permitirão aos usuários alimentar a plena carga seus PCs em centenas de milisegundos, em vez dos poucos segundos hoje exigidos. 

Entretanto, para abordar os crescentes problemas de energia relacionados com as redes, desenvolvedores e projetistas precisam, explicitamente, adaptar os esforços de gestão de energia à Internet e aos dispositivos que se conectam com ela. Efetivamente, uma falha em fazê-lo poderia anular muito do êxito do Energy Star (www.energystar.gov) [o equivalente ao nosso PROCEL], um programa de etiquetagem do governo americano que promove compras energeticamente eficientes pelos consumidores e estimula a indústria a fabricar produtos energeticamente mais eficientes.

Apesar dos bilhões de dólares de economia potencial gerados por uma gestão de energia aprimorada, particularmente com relação ao número crescente de  dispositivos não-PCs ligados em redes em residências, pouca pesquisa está acontecendo nessa área [em 2004]. Consumo de energia relacionado a redes computacionais é um fator novo em termos de grande consumidor de energia, o que pode explicar a falta de atenção que lhe é dedicada. Além disso, a indústria tem muitos outros assuntos que combater, que afetam mais diretamente suas vendas e sua rentabilidade. Por enquanto, o governo federal não preencheu esse vazio.

O Projeto Verde TCP/IP da Universidade do Sul da Flórida (www.csee.usf. edu/~christen/greentcp/main.html) e o grupo de Energy End-Use Forecasting no Lawrence Berkeley National Laboratory na Califórnia (http://enduse.lbl. gov/Projects/InfoTech.html) estão, no momento [em 2004], explorando esse tema. Maruti Gupta e Suresh Singh na Portland State University também abordaram o "enverdecimento da Internet" [em tradução literal de  “greening of the Internet”] na conferência ACM SIGCOMM 2003 (www.cs. pdx.edu/~singh/ftp/sigcomm03.pdf).

O IEEE [Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos, sediado nos EUA] está no momento [em 2004] votando a IEEE 1621 (http://eetd.lbl.gov/Controls/ 1621), uma nova norma internacional proposta de interface para controle de energia pelo usuário, projetada para tornar mais fácil a ativação e o uso de gestão de energia em dispositivos eletrônicos de escritórios e pessoais. Além disso, estão surgindo produtos comerciais que controlam globalmente os ajustes de gestão de energia de PCs desktop. Duas companhias que oferecem tais produtos são a Verdiem in the United States (www. verdiem.com) e a 1E no Reino Unido (www.1e.com).

A evolução de hardware, software, e aplicações de rede não dá sinais de esmorecimento. Acreditamos que apenas um programa de pesquisas apoiado pelo governo pode explicitar todo o potencial da gestão de energia em equipamentos de escritório e pessoais.  Além de atacar as necessidades de pesquisas assinaladas aqui, isso acarretaria a revelação e a documentação de outros grandes problemas das redes computacionais em termos de energia, ainda subjacentes, assim como a revisão de importantes protocolos de redes, tanto os existentes como os em andamento. para determinar a melhor maneira de incorporar a gestão de energia nas práticas atuais de redes. 

O artigo inglês "Review of Computer Energy Consumption and Potential Savings", patrocinado pela Dragon Systems Software Limited (DssW) é outro texto bastante interessante sobre o tema desta postagem. Reproduzo abaixo alguns de seus gráficos e tabelas (clicar nas figuras para ampliá-las).

Description	Power draw (watts)			Source
	Active	Low power	Off
Desktop	55	25	1.5	Kawamoto et al (2001)
Desktop	55	25	1.5	Kawamoto et al (2004)
Desktop with power management	36	27	-	Mungwititkul and Mohanty (1997)
Desktop without power management	48	-	-	Mungwititkul and Mohanty (1997)
Desktop manufactured 2000-2001	70	9	3	Roberson et al (2002)
Integrated computer system manufactured 2000-2001	54-131	4-31	4-8	Roberson et al (2002)
Desktop	60-250	1-6	-	Bluejay (2006)
Desktop (pentium and pre-pentium)	55	25	0	Nordman (1999)
Desktop (Macintosh)	50	48	0	Nordman (1999)

Tabela 1 - Demandas de energia de computadores

 

Figura 1 - Demandas de energia de computadores antigos e novos (Fonte: Roberson et al: 2002, Kawamoto et al: 2001).

Description	Power draw (watts)			Source
	Active	Low power	Off
CRT	85	5	0.5	Webber et al (2006)
CRT with power management	66	15	-	Mungwititkul and Mohanty (1997)
CRT without power management	67	-	-	Mungwititkul and Mohanty (1997)
CRT 17"	80	0-15	0	Bluejay (2006)
CRT 15"	75	10	0	Nordman (1999)
CRT 17"	90	10	0	Nordman (1999)
CRT 21"	120	10	0	Nordman (1999)
CRT 14"-15"	61	19	3	Roth et al (2002) citing Macebur (1998)
CRT 17"-21"	90-135	9-16	4-5	Roth et al (2002) citing Macebur (1998) and Meyer and Schaltegger (1999)
CRT and LCD average	55	5	1	Roberson et al (2002)
CRT 15"-21"	76	7	1	Roberson et al (2002)
LCD 15"-18"	30	2	2	Roberson et al (2002)
LCD	15	1.5	0.5	Webber et al (2006)
LCD 17"	35	0-15	0	Bluejay (2006)

Tabela 2 - Demandas de energia de monitores 

Figura 2 - Demandas de energia de monitores CRT velhos e novos - (Fonte: Roberson et al: 2002, Kawamoto et al: 2001).

Figura 3 - Demandas de energia de monitores CRT e LCD - (Fonte: Kawamoto et al: 2004).

Figura 4 - Regime noturno de computadores, em termos de energia.

Figura 5 - Regime noturno de monitores, em termos de energia.

Total idle time = 3.9 hours per day
Idle time delay (minutes)	Idle time in active mode (hours)	Idle time in low power mode (hours)	Time in low power mode (%)
5	0.9	3	76
15	1.9	2	51
30	2.6	1.3	34
60	3.1	0.8	20

Tabela 3 - Efeito do retardo do tempo ocioso/parado no estado do sistema em termos de energia.

Figura 6 - Efeito do retardo de tempo ocioso/parado no estado do sistema em termos de energia.

Figura 7 - Porcentagem de tempo no modo ativo para diferentes padrões de utilização - (Webber et al: 2001, Kawamoto et al: 2004).

Figura 8 - Demandas de energia de laptops e desktops - (Fonte: Kawamoto et al: 2001).

Figura 9 - Padrão típico de uso de laptops e desktops - (Fonte: Roth et al: 2002).

Annual energy consumption (kWh/year)	Usage pattern	Power draw (watts)	Assumptions	Source
297	active= 5131h/year low power= 375h/year off= 3254h/year	active=55 low power=25 0ff=1.5	The usage pattern is an average of power managed and non power managed computers. Assumes 25% of computers are power managed.	Roth et al (2002)
213	active= 19h/week low power= 61h/week off= 88h/week	active= 55 low power= 25 off= 1.5	The usage pattern is for power managed computers. For non power managed computers, the time given for low power is assumed to be active time. Assumes 25% of computers are power managed and 65% are turned off at night.	Kawamoto et al (2001)
80	no energy saving features	active= 48 (non-PM computers)	Assumes all computers are turned off at night. Assumes typical usage pattern for all computers is: active= 9%, low power= 10%, off= 81% of the year.	Mungwititkul and Mohanty (1997)
60	energy saving disabled	active= 36 (PM computers) low power= 27
52	energy saving enabled
482	always on (on= 99%)	active=55 low power=25 0ff=1.5	Annual energy consumption assumes 235 business days per year, based on 25 days off per year for holidays, sickness, and travel. Note: the figures reported in the study do not equal 100%.	Webber et al (2006)[10]
254	always on + PM (on= 13%, low= 86%)
100	off at night (on= 18%, off= 81%)
86	off at night + PM (on= 13%, low= 5%, off= 81%)
199.1	non energy star compliant (active= 9.5h/day, off=14.5h/day		Assumes 25% of computers are always on, and only 76% of computers are on for any given weekday.	Nordman (1999)
114.6	energy star compliant (active= 4h/day, low= 5.5h/day, off= 14.5h/day)

Tabela 4 - Consumo anual de energia de computadores 

Annual energy consumption (kWh/year)	Usage pattern	Power draw (watts)	Assumptions	Source
205	active= 19h/week low power= 61h/week off= 88h/week	active= 85 low power= 5 off= 0.5	The usage pattern is for power managed computers. For non power managed computers, the time given for low power is assumed to be active time. Assumes 25% of computers are power managed and 65% are turned off at night.	Kawamoto et al (2001)
112	no energy saving features	active= 67 (non-PM monitors)	Assumes all monitors are turned off at night. Assumes typical usage pattern for all computers and monitors is: active= 9%, low power= 10%, off= 81% of the year.	Mungwititkul and Mohanty (1997)
110	energy saving disabled	active= 66 (PM monitors) low power= 15
65	energy saving enabled
754	CRT always on (on= 99%)	active= 85 low power= 5 off= 0.5	Annual energy consumption assumes 235 business days per year, based on 25 days off per year for holidays, sickness, and travel. Note: the figures reported in the study do not equal 100%.	Webber et al (2006)
136	CRT always on + PM (on= 13%, low= 86%)
141	CRT off at night (on= 18%, 0ff= 81%)
104	CRT off at night + PM (on= 13%, low= 5%, off= 81%)
131	LCD always on (on= 99%)	active= 15 low power= 1.5 off= 0.5
29	LCD always on + PM (on= 13%, low= 86%)
28	LCD off at night (on= 18%, off= 81%)
22	LCD off at night + PM (on= 13%, low= 5%, off= 81%)
307.7	non Energy Star compliant (active= 9.5h/day, off=14.5h/day)			Nordman (1999)
110.5	Energy Star compliant (active= 4h/day, low= 5.5h/day, off= 14.5h/day)

Tabela 5 - Consumo anual de energia de monitores

Figura 10 - Consumo anual de energia de monitores CRT e LCD - (Fonte: Webber et al: 2006).

Description	Power draw (watts)				Notes	Source
	Active	Light sleep	Low power	Off
iMac G3	88	78	31	4	Integrated computer system combining computer and CRT monitor. Running Mac OS 9.2	Roberson et al (2002)
Mac G4	131	102	10	8	Integrated computer system combining computer power linked to Apple Studio Display LCD monitor. Running Mac OS X.	Roberson et al (2002)
Mac 7200	46	-	28	-		Nordman (1999)
-	47	-	-	2-3	Results are an average figure, not for a specified model.	Kawamoto et al (2001)

Tabela 6 - Demandas de energia de computadores Mac mais antigos

Description	Power draw (watts)			Notes
	Active	Low power	Off
Mac Mini	21 - 23	2.3 - 2.4	1.3 - 1.5	Computer only
17" iMac	44 - 56	3.1 - 3.6	2.2 - 2.6	Computer and 17" LCD monitor combined
20"iMac	83 - 84	3.4 - 3.5	2.5 - 2.7	Computer and 20" LCD monitor combined
24" iMac	116 - 120	4.1 - 4.5	2.6 - 2.8	Computer and 24" LCD monitor combined
Mac Pro	250	13	2	Computer only

Tabela 7 - Demandas de energia de modelos correntes de computadores Mac - (Fonte: Apple Product Environmental Specifications).

Description	Annual energy consumption (kWh)	Usage pattern	Power draw (watts)	Notes
Mac Mini	183	always on	active= 21 low power= 2.3 off= 1.3	computer only
	46	off night no PM[17]
	44	always on + PM
	31	off night + PM
17" iMac	384	always on	active= 44 low power = 3.1 off= 2.2	computer and 17" LCD monitor combined
	98	off night no PM
	79	always on + PM
	64	off night + PM
20" iMac	752	always on	active= 83 low power= 3.4 off= 2.5	computer and 20" LCD monitor combined
	180	off night no PM
	131	always on + PM
	116	off night + PM
24" iMac	1013	always on	active= 116 low power= 4.1 off= 2.6	computer and 24" LCD monitor combined
	250	off night no PM
	178	always on + PM
	160	off night + PM
Mac Pro	2184	always on	active= 250 low power= 13 off= 2	computer only
	525	off night no PM
	415	always on + PM
	334	off night + PM

Tabela 8 - Consumo anual de energia de computadores Mac correntes

Usage pattern	Time spent in power state (hours/day)
	Active	Low power	Off
always on	24h x 7 days	0	0
off night no PM	8h x 5 days	0	(16h x 5 days) + (24h x 2 days)
always on + PM	4.9h x 5 days	(19.1 h x 5 days) + (24h x 2 days)	0
off night + PM	4.9h x 5 days	3.1h x 5 days	(16h x 5 days) + (24h x 2 days)

Tabela 9 - Padrões de uso para o consumo anual de energia de computadores Mac correntes

Off	16 hours x 5 days (weekdays)
	24 hours x 2 days (weekend)
On	8 hours x 5 days
	in use	6.9 hours/weekday
	lunch	1.1 hours/weekday
	Break down of 6.9 hours 'in use'
	active use	3 hours/weekday
	idle use	3.9 hours/weekday
	Break down of 3.9 hours 'idle use'
	active idle time	1.9 hours/weekday
	low power idle time	2 hours/weekday

Weekday			Weekend
off	16 hours		off	24 hours
active	4.9 hours	(3 hours active use + 1.9 hours active idle time)
low power	3.1 hours	(1.1 hours lunch + 2 hours low power idle time)

Tabela 10 - Cálculos para o padrão de uso "desligado à noite + Gestão de Energia"

Emissões de carbono por computadores

Um artigo do The New York Times de janeiro de 2009 informa que, na época, a indústria de computação contribuía com 2% das emissões globais de carbono, o equivalente a todo o setor global de aviação. O setor de computação aumentará suas emissões à taxa de 6% ao ano, devido à demanda sem paralelos dos consumidores por hardware, software e serviços. Em comparação, o setor de aviação terá um crescimento de cerca de 3%, segundo um relatório de 2008 da IATA - International Air Transport Association.

O número de PCs quadruplicará para 4 bilhões de equipamentos em 2020, com duplicação das emissões, de acordo com um relatório de 2008 do The Climate Group.