[論文レビュー] Estimating the carbon footprint of the GRAND Project, a multi-decade astrophysics experiment

Clarisse Aujoux, Kumiko Kotera+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2021

Opportunistic and Delay-Tolerant Networks被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、200,000 km²の電波アンテナアレイを用いて超高エネルギーニュートリノを検出することを目的とする大規模天体物理学実験であるGRANDプロジェクトの炭素足跡について、透明性がありオープンソースな推定値を提示する。主な排出源として、移動、デジタル技術、ハードウェア機器を特定し、大規模フェーズ（GRAND200k）ではハードウェアが支配的であることを明らかにした。設計、共同作業、データ管理の見直しにより排出削減を実現するための実行可能な戦略を提案する。

ABSTRACT

We present a pioneering estimate of the global yearly greenhouse gas emissions of a large-scale Astrophysics experiment over several decades: the Giant Array for Neutrino Detection (GRAND). The project aims at detecting ultra-high energy neutrinos with a 200,000 radio antenna array over 200,000\,km$^2$ as of the 2030s. With a fully transparent methodology based on open source data, we calculate the emissions related to three unavoidable sources: travel, digital technologies and hardware equipment. We find that these emission sources have a different impact depending on the stages of the experiment. Digital technologies and travel prevail for the small-scale prototyping phase (GRANDProto300), whereas hardware equipment (material production and transportation) and data transfer/storage largely outweigh the other emission sources in the large-scale phase (GRAND200k). In the mid-scale phase (GRAND10k), the three sources contribute equally. This study highlights the considerable carbon footprint of a large-scale astrophysics experiment, but also shows that there is room for improvement. We discuss various lines of actions that could be implemented. The GRAND project being still in its prototyping stage, our results provide guidance to the future collaborative practices and instrumental design in order to reduce its carbon footprint.

研究の動機と目的

• GRANDプロジェクトの複数十年にわたるライフサイクルにわたる年間グリーンハウスガス排出量を推定すること。
• 異なるプロジェクトフェーズにおいて、移動、デジタル技術、ハードウェアが主な排出源であることを特定すること。
• 公開データとプロジェクトデータに基づいた透明性があり再現可能な方法論を用いて、大規模物理学実験における炭素足跡評価を実施すること。
• 科学的根拠に基づいた実行可能な戦略を通じて、GRAND共同研究者が環境的影響を低減できるように導くこと。
• 将来の大規模天体物理学および素粒子物理学実験の炭素足跡を評価・低減するためのベンチマークを提供すること。

提案手法

• 公開利用可能な排出係数とプロジェクトデータに基づいた透明性がありオープンソースな方法論を用いる。
• 排出を3つの主要な源に分類する：移動、デジタル技術（シミュレーション、データ転送、ストレージ）、ハードウェア（アンテナ製造、輸送、電力システム）。
• 計算機とデータセンターの排出を推定するために、ADEME炭素データベース（2020年）の国別電力排出係数を適用する。
• 世界のデータセンターの大部分が所在する6か国の電力排出係数の加重平均を用いて、インターネットデータ転送の排出を推定する。
• プロジェクトを3フェーズに分ける：GRANDProto300（プロトタイプ段階）、GRAND10k（中規模段階）、GRAND200k（大規模段階）—それぞれのフェーズに応じた排出寄与度を評価する。
• 排出量を年間tCO2e単位で定量し、各フェーズにおける各排出源の相対的寄与度を算出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRANDプロジェクトのライフサイクルにわたる主なグリーンハウスガス排出源は何か？
• RQ2 GRANDのプロトタイプ段階、中規模段階、大規模段階において、移動、デジタル技術、ハードウェア排出の相対的寄与度はどのように変化するか？
• RQ3 共同作業のあり方、データ管理、ハードウェア設計の見直しにより、排出削減をどの程度達成できるか？
• RQ4 透明性がありオープンソースな方法論をどのように大規模物理学実験の炭素足跡推定に適用できるか？
• RQ5 設計段階および運用段階で、どのような実行可能な戦略を講じることで、こうした実験の環境的影響を低減できるか？

主な発見

• GRANDProto300段階では、デジタル技術と移動が排出量の主要因であり、両者ともに総排出量に顕著な寄与をしている。
• GRAND10k段階では、移動、デジタル技術、ハードウェア機器の排出が、炭素足跡にほぼ同等の寄与をしている。
• GRAND200k段階では、ハードウェア機器（特に素材調達と輸送）が排出量の最大の割合を占めており、デジタル技術および移動の排出を上回っている。
• 本研究では、積極的なデータ圧縮戦略を採用することで、データ転送およびストレージの排出を4〜5桁削減できると推定している。
• シミュレーションの排出は、CPU集約的実行の費用対効果分析を奨励し、計算ワークフローを最適化することで削減可能である。
• 共同研究は、本研究の知見を基盤として「GRANDグリーンポリシー」を策定し、プロジェクトの全フェーズにわたり持続可能な実践を推進する予定である。