AI jest jak stałocieplność u zwierząt – kosztowna energetycznie

Słusznie obawiamy się, że powszechne korzystanie z AI to rosnące zużycie energii elektrycznej. A tego cennego zasobu nie warto zużywać na błahe sprawy. Tak jak i inne technologie (od samochodu po pralkę i komputer) AI wymaga energii elektrycznej. Ułatwia nam pracę, czasem daje rozrywkę, ale niesie spore koszty energetyczne. W niniejszym artykule chciałbym porównać AI do stałocieplności zwierząt. Bo stałocieplność też jest kosztowna energetycznie.

Od czasu do czasu pojawiają się w ewolucji rozwiązania, które na pierwszy rzut oka mogą się wydać nierozsądne. Są kosztowne, wymagają ogromnych nakładów energii i sprawiają wrażenie biologicznej rozrzutności. A jednak to właśnie one zmieniają reguły gry. Jednym z takich wynalazków była stałocieplność ssaków i ptaków. Drugim – być może – jest współczesna sztuczna inteligencja. Z biologii można jeszcze podać przykład ludzkiego narządu – mózgu. To bardzo energochłonny narząd. Jakie daje korzyści, skoro jest kosztowny energetycznie i sprawia kłopoty przy narodzinach? Na pierwszy rzut oka porównanie biologii z informatyką wydaje się karkołomne. Jednak gdy spojrzymy na oba zjawiska przez pryzmat ekonomii energii, podobieństwa okazują się zaskakująco głębokie.

Przez większą część historii życia na Ziemi dominowały zwierzęta zmiennocieplne. Bezkręgowce, gady, płazy, ryby nie produkują dużych ilości ciepła własnym metabolizmem. Są rozsądnie oszczędne, dostosowują się do temperatury otoczenia. Gdy robi się chłodno, ich metabolizm zwalnia. Kiedy wyjdzie słońce, ożywają. Ich organizmy przypominają niezwykle oszczędne samochody – spalają niewiele paliwa, ale osiągi zależą od warunków zewnętrznych. Taka strategia ma ogromne zalety. Zmiennocieplny wąż czy krokodyl może przez wiele dni obyć się bez jedzenia. Krokodyl po obfitym posiłku potrafi nie polować przez tygodnie. W świecie, gdzie zdobycie pokarmu jest niepewne, oszczędność energii staje się wielką zaletą. Nieprzypadkowo właśnie zmiennocieplność dominuje wśród współczesnych gatunków zwierząt. Wyobraźmy sobie siebie samych – obfity posiłek na Boże Narodzenie i Święta Wielkanocne, a potem nic. Ileż odeszłoby pracy i ile uwolnilibyśmy czasu!

Jednak oszczędność ma swoją cenę. Gdy temperatura otoczenia spada, spada również wydajność mięśni i tempo reakcji enzymatycznych. Zmiennocieplny organizm staje się zakładnikiem pogody. Nie może polować zimą, trudno mu być aktywnym nocą, a zasiedlanie chłodniejszych obszarów staje się poważnym wyzwaniem. Stąd popadanie w stan odrętwienia czy anabiozy.

Około dwustu milionów lat temu, w filogenezie zwierząt powstały organizmy, które przestały polegać na cieple otoczenia. Zaczęły same produkować ciepło, spalając duże ilości energii. Narodziła się stałocieplność. Z punktu widzenia rachunku energetycznego był to krok ryzykowny. Ssaki i ptaki potrzebują wielokrotnie więcej pokarmu niż gady o podobnej masie ciała. Ich serca biją szybciej, płuca pracują intensywniej, a mitochondria nieustannie produkują ATP, którego znaczna część zamienia się po prostu w ciepło. Organizm inwestuje energię nie tylko w ruch, wzrost czy rozmnażanie, ale również w utrzymanie stałej temperatury. A przy stałej temperaturze powstają enzymy, które działają optymalnie w określonej temperaturze. Jednym z zysków jest optymalizacja.

Dlaczego dobór naturalny nie odrzucił tak kosztownego rozwiązania? Bo koszt okazał się inwestycją. Stałocieplność pozwoliła uniezależnić aktywność od temperatury otoczenia. Ssaki mogły polować zimą, ptaki latać o świcie, a wiele gatunków prowadzić nocny tryb życia w chłodniejszych regionach świata. Mogły zasiedlać chłodne regiony, wysokie góry i obszary polarne. Ich mięśnie pracowały z pełną wydajnością niezależnie od pogody. W świecie, gdzie liczy się szybkość reakcji, długotrwała aktywność i zdolność eksplorowania nowych środowisk, wyższy rachunek energetyczny okazał się ceną wartą zapłacenia.

Dobrym przykładem przewagi stałocieplności może być porównanie ssaka pustynnego i pustynnej jaszczurki. Oba organizmy żyją w tym samym środowisku, ale zupełnie inaczej gospodarują energią. Pustynia w ciągu dnia jest miejscem skrajności. Rozgrzany piasek i skały osiągają temperatury, przy których trudno utrzymać aktywność, natomiast nocą ta sama pustynia gwałtownie się wychładza. Dla jaszczurki oznacza to konieczność ciągłego dostosowywania się do warunków zewnętrznych. Wieczorem jej metabolizm zwalnia, a nocny chłód niemal zatrzymuje aktywność. Rankiem zwierzę musi najpierw znaleźć odpowiednio nasłonecznione miejsce i cierpliwie czekać, aż promienie słońca podniosą temperaturę jego ciała. Dopiero wtedy mięśnie zaczynają pracować z pełną wydajnością, a polowanie staje się możliwe.

Ssak pustynny funkcjonuje inaczej. Gdy nocą temperatura spada, jego organizm nie czeka na zewnętrzne źródło energii. Nadal utrzymuje stałą temperaturę, a jego mięśnie i układ nerwowy pozostają gotowe do działania. O świcie, kiedy jaszczurka dopiero zaczyna "uruchamiać swoje systemy", ssak może już od dawna przemierzać teren w poszukiwaniu pożywienia. Nie musi czekać na odpowiedni moment. Jego wewnętrzny metabolizm działa jak nieustannie pracujący silnik. Ale za tę gotowość trzeba zapłacić. Ssak musi zdobywać znacznie więcej energii niż jaszczurka. I ma kłopoty przy wyższej temperaturze z pozbywaniem się nadmiaru ciepła. Każdy dzień oznacza większe zapotrzebowanie na pokarm. Organizm stałocieplny przypomina samochód, który nie tylko musi dojechać do celu, ale również przez całą noc utrzymywać pracujący silnik. Można wyobrazić sobie zimowy poranek i samochód z niesprawnym akumulatorem. Kierowca wie, że rano może pojawić się problem z uruchomieniem silnika. Jednym ze sposobów rozwiązania problemu byłoby pozostawienie samochodu z włączonym silnikiem przez całą noc. Rano samochód na pewno ruszy bo silnik jest już rozgrzany, wszystkie układy działają, nie ma ryzyka zimnego startu. Ceną za tę niezawodność jest jednak duże zużycie paliwa.

Stałocieplność działa na podobnej zasadzie. Zwierzę płaci energetyczny "rachunek za gotowość". Nie oszczędza tak jak jaszczurka, która wyłącza niemal cały kosztowny metabolizm i korzysta z darmowego ogrzewania słonecznego. W zamian ssak otrzymuje coś niezwykle cennego czyli możliwość działania wtedy, gdy środowisko nie jest sprzyjające. To właśnie jest jedna z największych zalet kosztownych rozwiązań ewolucyjnych: nie zawsze są tańsze, ale bywają bardziej niezawodne.

Podobny mechanizm obserwujemy w przypadku sztucznej inteligencji. Serwery i obwody potrzebują ogromnej ilości energii, specjalistycznej infrastruktury i ciągłego "metabolicznego podtrzymywania życia" w centrach danych. Jednak dzięki temu jest zawsze gotowa do działania, może przetwarzać informacje niezależnie od chwili i warunków oraz wykonywać zadania wymagające ogromnej złożoności. Jest jak nasz duży kosztowny mózg – szybko analizuje dużo danych i ułatwia szybkie dostosowanie się do aktualnej sytuacja. Po prostu uczy się, w przeciwieństwie do wolniej działającego mechanizmu selekcji naturalnej. Ale w większości czasu nasz mózg zajmuje się zdawałoby się próżną zabawą. Niby jałowy bieg, bezproduktywny dla ewolucyjnego i ekologicznego dostosowania się. Bo po co tracić energię na zabawę czy jałowe gadanie?

Tak jak ssak nie czeka rano na słońce, aby rozpocząć aktywność, tak system sztucznej inteligencji nie zaczyna każdego zadania od zera. Dysponuje wytrenowanymi modelami, infrastrukturą i zdolnością błyskawicznego reagowania. Oczywiście cena pozostaje wysoka. Tak jak pustynny ssak musi codziennie zdobyć więcej pokarmu niż jaszczurka, tak sztuczna inteligencja wymaga większych nakładów energetycznych niż tradycyjne algorytmy czy myślenie analogowe. Pytanie nie brzmi jednak wyłącznie: "ile energii zużywa?". Pytanie brzmi: "co otrzymujemy w zamian za tę energię?". W ewolucji odpowiedzią była większa niezależność i zdolność zajmowania nowych nisz. W technologii odpowiedzią może być większa zdolność rozwiązywania problemów, szybsza analiza informacji i tworzenie narzędzi, które wcześniej były poza zasięgiem przeciętnego człowieka.

Energia jest kosztem. Ale czasem jest również inwestycją w nowe możliwości. Tak właśnie było wtedy, gdy pierwsze ssaki zaczęły ogrzewać własne ciała. I być może podobnie jest dzisiaj, gdy człowiek buduje maszyny, które zaczynają "utrzymywać własną temperaturę intelektualną".

Wróćmy na chwilę jeszcze do biologicznej stałocieplności zwierząt. Nie oznacza to, że stałocieplność jest rozwiązaniem uniwersalnie lepszym. W wielu środowiskach i sytuacjach ekologicznych zmiennocieplność często wygrywa. Gdy zasoby są ograniczone, organizm spalający niewiele energii ma większe szanse przetrwania. W biologii nie istnieją rozwiązania idealne. Istnieją jedynie rozwiązania lepiej lub gorzej dopasowane do określonych warunków.

Ta lekcja ewolucji okazuje się zaskakująco aktualna, gdy spojrzymy na rozwój sztucznej inteligencji. Dzisiejsze modele sztucznej inteligencji, wymagają dużej ilości procesorów i pamięci danych a więc dużo sprzętu i dużo energii. Przypominają raczej organizmy stałocieplne. Nieustannie przetwarzają ogromne ilości informacji, wymagają potężnych procesorów i centrów danych zużywających ogromne ilości energii elektrycznej. I albo trzeba tę energią zabrać z innych procesów cywilizacyjnych albo wyprodukować jej więcej niż dotychczas. I jeszcze potrzebna woda do chłodzenia...

Wytrenowanie dużego modelu językowego pochłania energię, która jeszcze kilkanaście lat temu wydawałaby się niewyobrażalna dla pojedynczego programu komputerowego. Do tego dochodzi energia potrzebna do jego codziennego działania oraz woda do chłodzenia serwerów. Co ciekawe, podobnie jak u ssaków znaczna część tej energii zamienia się po prostu w ciepło, które trzeba skutecznie odprowadzić. Serwerownie przypominają pod tym względem żywe organizmy. Mają własne systemy chłodzenia, obiegi cieczy, wymienniki ciepła i skomplikowane mechanizmy utrzymujące odpowiednią temperaturę pracy. Tak jak organizm ssaka nie może dopuścić do przegrzania mózgu, tak centrum danych nie może pozwolić na przegrzanie procesorów.

Czy oznacza to, że sztuczna inteligencja jest energetycznie nieefektywna? To zależy od punktu widzenia. Jeżeli mierzymy jedynie zużycie energii, odpowiedź brzmi: tak. Jeżeli jednak mierzymy zdolność rozwiązywania problemów, szybkość analizy danych, tworzenia nowych rozwiązań czy wspomagania człowieka w pracy intelektualnej, obraz staje się znacznie bardziej złożony. Podobnie jak stałocieplność, wykorzystując AI płacimy wysoki rachunek za uzyskanie większej niezależności od ograniczeń środowiska. AI potrafi analizować miliony dokumentów, tłumaczyć teksty, wspierać lekarzy, projektować białka czy pomagać naukowcom w odkrywaniu nowych zależności. Wszystko to odbywa się kosztem energii. Energii, które zabraknie na inne procesy gospodarcze lub aktywność człowieka. Lub musimy zwiększyć produkcję energii a to oznacza kolejne nakłady inwestycyjne i być może także emisję gazów cieplarnianych. A na pewno oznacza to przekształcanie środowiska Ziemi.

Historia biologii podpowiada jednak coś jeszcze. Ewolucja nigdy nie kończy się na pierwszym, mało ekonomicznym rozwiązaniu. Ptaki należą dziś do najbardziej wydajnych energetycznie organizmów o wysokim metabolizmie. Ich układ oddechowy i krwionośny osiągnął sprawność, o której inżynierowie mogą tylko marzyć. Być może podobna droga czeka sztuczną inteligencję. Dzisiejsze modele są energochłonne, ale kolejne generacje mogą wykonywać te same zadania znacznie mniejszym kosztem.

Być może za kilkadziesiąt lat będziemy patrzeć na współczesne centra danych tak, jak biolog patrzy dziś na pierwsze stałocieplne ssaki – jako na etap przejściowy. Kosztowny, nieco niezdarny, ale otwierający drogę do kolejnego skoku ewolucyjnego. Bo zarówno w przyrodzie, jak i w technice, postęp rzadko polega na minimalizacji kosztów. Częściej polega na znalezieniu takiego poziomu inwestycji energetycznej, który otwiera możliwości wcześniej niedostępne. Energia nie jest tylko wydatkiem. Jest walutą, za którą można kupić niezależność, elastyczność i zdolność przekraczania ograniczeń. A to właśnie te cechy najczęściej decydują o sukcesie – zarówno organizmów żywych, jak i technologii tworzonych przez człowieka.

Podsumowaniem może być zwrot „rachunek za gotowość” - ssak płaci energią za to, że rano nie musi czekać na słońce, a AI płaci energią za to, że nie musi za każdym razem zaczynać myślenia od zera. Serwery ciągle są w działaniu. Bo i ciągle ktoś z AI korzysta. To w pewnym sensie łączy biologię z filozofią techniki. Na koniec wato postawić sobie pytanie, czy i co zyskujemy przez powszechne używanie AI? Czy ten zysk warto okupić dużym i stałym wydatkiem energetycznym?