Kestävyys: Toni Taipalus ja modernien dataratkaisujen huomiotta jääneet ympäristökustannukset

– Digitaalisen datan kasvu ei pysähtynyt vanhojen aineistojen, kuten valokuvien, kirjojen tai videoiden, digitointiin. Ajan myötä aloimme tallentaa paljon muutakin: transaktioita, selauskäyttäytymistä, sijaintitietoja, hakuhistorioita – ja nykyään yhä enenevässä määrin monin eri tavoin tuotettua dataa, usein valtavassa mittakaavassa. Kun tämän kehitystä tarkastelee kokonaisuutena, tallennus ja käsittely eivät enää näyttäydy vain teknisinä skaalaushaasteina, vaan ennen kaikkea myös ympäristökysymyksinä.

Monikerroksinen haaste 

Datainsfrastruktuurin kestävyys ei rajoitu yhteen muuttujaan. Energiankulutus, energian alkuperä, laitteiston valmistus, datakeskuksen jäähdytystarpeet ja ohjelmistotehokkuus kaikki vaikuttavat toisiinsa. Kylmemmässä ilmastossa jäähdytyskuormaa voidaan osittain tasata ja ylijäämälämpö ohjata kaukolämpöverkkoihin. Taipaluksen tutkimus kohdistuu kuitenkin kerrokseen, joka saa vähemmän julkista huomiota: siihen, miten data on jäsennelty ja hallittu tietokanta- ja ohjelmistopinossa. 

– Kyse on systeemisestä ongelmasta. Datakeskuksen kestävyys ei riipu ainoastaan siitä, kuinka paljon sähköä se kuluttaa, vaan myös siitä, mistä energia on peräisin, millaista infrastruktuuria sen tuottaminen ja toimittaminen vaatii, miten laitteisto on valmistettu ja kuinka tehokkaasti laskentajärjestelmät on suunniteltu ja miten niitä operoidaan. 

Tietokantasuunnittelu ja ohjelmistoarkkitehtuuri määräävät, kuinka paljon laskentaa järjestelmä todellisuudessa suorittaa, kuinka paljon dataa täytyy siirtää komponenttien välillä ja kuinka paljon tallennuskapasiteettia on varattava. Nämä ovat insinöörien tekemiä päätöksiä, usein projektin alkuvaiheessa, eivätkä niiden myöhemmät seuraukset resurssienkäytön kannalta juuri koskaan ole ensisijainen näkökohta. 

– Käytännössä kestävyys muotoutuu kaikkien näiden kerrosten välisissä kompromisseissa. Työmme keskittyy erityisesti siihen, miten älykkäämpi datan organisointi voi vähentää resurssienkäyttöä ilman, että tämä organisointi johtaa ei-toivottuihin sivuvaikutuksiin.

Testaus realistisissa olosuhteissa 

DigiSus-hankkeen keskeinen lähtökohta on empiirisyys: oikeaa laitteistoa testataan todellisia työkuormia vastaavissa olosuhteissa sen sijaan, että tukeuduttaisiin teoreettisiin malleihin tai standardoituihin suorituskykytesteihin. Tietokanta- ja tietojärjestelmätutkimuksessa suorituskykytestauksen on todettu poikkeavan tuotanto-olosuhteista, mikä tekee kokeellisesta infrastruktuurista erityisen arvokkaan luotettavien havaintojen tuottamisessa. 

– Kehitysvaiheessa ja suorituskykytestauksessa hyvältä näyttävä suunnitteluratkaisu ei aina käyttäydy samalla tavalla realistisissa työkuormissa. Siksi kokeellinen puoli on niin tärkeä. Pienikin, näennäisesti merkityksettömän asian muuttaminen voi kääntää tulokset päälaelleen. Testaukseen varatulla laitteistolla voimme tutkia näitä kysymyksiä kontrolloiduissa olosuhteissa ja mitata eri suunnitteluratkaisujen vaikutuksia uskottavammin.

Tähänastiset tulokset viittaavat siihen, että datan uudelleenjäsentely voi tuottaa samanaikaisia parannuksia usealla eri ulottuvuudella sen sijaan, että insinöörit joutuisivat tekemisiin tyypillisesti odottamiensa kompromissien kanssa. 

– Olemme havainneet, että datan uudelleenjäsentelyllä voi olla hyvin suuria vaikutuksia paitsi suorituskykyyn myös energiankulutukseen ja tallennusvaatimuksiin. Tapaustutkimuksissamme sama uudelleensuunnittelu on parantanut tehokkuutta usealla ulottuvuudella samanaikaisesti sen sijaan, että se olisi pakottanut valitsemaan niiden välillä. Käytännössä tämä tarkoittaa, että kestäviä dataintensiivisiä järjestelmiä kehitetään suunnitteluperiaatteet ja testaus edellä.

DigiSus-rahoituksen merkitys 

DigiSus-käynnistysapuraha tuki sekä laitteiston hankintaa että laajemman tutkimusverkoston rakentamista. Tämä yhdistelmä, empiirinen kapasiteetti rinnakkain yhteistyöverkostojen kanssa muovasi hankkeen suuntaa. 

– Käynnistysapuraha oli tärkeä, koska se antoi meille mahdollisuuden rakentaa tutkimus tieteellisesti eksaktille empiiriselle pohjalle. Samalla rahoitus auttoi meitä verkostoitumaan muiden tutkijoiden kanssa, jotka työskentelevät samankaltaisten kestävyyskysymysten parissa niin Suomessa kuin kansainvälisesti. Se on ollut arvokasta paitsi ideoiden vaihtamisen myös työn asemoimisen kannalta laajemmassa tutkimusyhteisössä.

Hankkeen tutkimus jatkuu tänä vuonna säätiörahoituksella, ja teemat integroidaan yhä suoremmin Tampereen yliopiston opetukseen. 

Opetus 

Taipalus on käyttänyt merkittävän osan tutkijanurastaan siihen, miten tietojenkäsittelytieteen opiskelijat kehittävät teknistä osaamistaan. Tämä oppimisen ja pedagogiikan tuntemus näkyy nyt siitä, miten kestävyys tuodaan osaksi opetussuunnitelmaa. 

– Tulevat ohjelmisto- ja data-alan ammattilaiset tekevät päätökset siitä, miten järjestelmät suunnitellaan, mitä dataa tallennetaan, mitä lasketaan uudelleen, mitä replikoidaan ja mitä optimoidaan. Ne ovat teknisiä päätöksiä, mutta niillä on myös ympäristöseurauksia. Hyvä insinöörityö ei tarkoita pelkästään nopeita tai toimivia järjestelmiä. Se tarkoittaa myös näiden järjestelmien laajempien kustannusten ymmärtämistä ja huolellista suunnittelua. Kestävyyttä ei voi tarkastella asiana, joka toteutetaan joskus myöhemmin.

Kuva: Eelis Berglund

Tekniikan tuolla puolen 

Kysyttäessä, mitä datakeskusten energiankulutuksen pienentäminen vaatisi, Taipalus tekee eron teknisen kyvykkyyden ja organisatoristen prioriteettien välillä. Työkalut ja osaaminen ovat pitkälti jo olemassa. Pääasialliset kehittämiskohteet on muualla. 

– En kuvaisi tätä ensisijaisesti insinööriosaamisen puutteeksi. Kyse on enemmän kannustimista, prioriteeteista ja käyttöönotosta. Meillä on jo huomattavasti tietoa, työkaluja ja koulutuskapasiteettia hävikkiä vähentämään ja tehokkuutta parantamaan. Vaikeampi osa on se, että kestävyydestä tulisi tehdä aito prioriteetti kustannusten, nopeuden, käteväyyden ja markkinoilletuloajan rinnalla.

DigiSusin kaltainen tutkimus osallistuu tähän keskusteluun ankkuroimalla sen empiiriseen näyttöön. Jos organisaatiot ovat valmiita käsittelemään kestävyyttä suunnittelutavoitteena sivuseikkana sijaan, tekniset edellytykset toimia ovat jo olemassa.