[論文レビュー] Frugal Computing -- On the need for low-carbon and sustainable computing and the path towards zero-carbon computing

Wim Vanderbauwhede|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2023

ICT in Developing Communities被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、計算機の寿命を延ばし、計算スタックのすべてのレイヤーにわたり効率を最適化することで、エネルギーと素材の使用を大幅に削減する「フリーガルコンピューティング」を提唱する。2040年までに、エネルギー効率とハードウェアの耐久性に根本的な改善がなければ、計算機の排出量は1.5°Cの気温上昇目標を超えるとされ、フリーガルコンピューティングは持続可能なデジタルトランスフォーメーションのため不可欠である。

ABSTRACT

The current emissions from computing are almost 4% of the world total. This is already more than emissions from the airline industry and are projected to rise steeply over the next two decades. By 2040 emissions from computing alone will account for more than half of the emissions budget to keep global warming below 1.5$^\circ$C. Consequently, this growth in computing emissions is unsustainable. The emissions from production of computing devices exceed the emissions from operating them, so even if devices are more energy efficient producing more of them will make the emissions problem worse. Therefore we must extend the useful life of our computing devices. As a society we need to start treating computational resources as finite and precious, to be utilised only when necessary, and as effectively as possible. We need frugal computing: achieving our aims with less energy and material.

研究の動機と目的

• 2040年までに1.5°Cのグローバル炭素予算の50％を超えると予想される計算機排出量の持続不能な増加に対処すること。
• エネルギー効率のみで需要の増加を相殺できるという誤解に反論し、生産段階の排出量が運用段階をすでに上回っていることを強調すること。
• 計算リソースを有限で貴重なものと再定義し、社会がそれらを豊富なものではなく、限られたものとして扱うよう促すこと。
• より少ないエネルギーと素材でより多くのことを実現する「フリーガルコンピューティング」への包括的転換を提唱すること。
• エネルギー効率と持続可能性を設計の根幹原則とするよう、計算科学、産業、政策分野における変革を促すこと。

提案手法

• 計算リソースを、エンドデバイスからネットワーク、データセンターに至るまで、スタック全体のエネルギーおよび素材の入力を含むものとして定義すること。
• デバイスの寿命を延長することが主な戦略であると主張し、段階的効率向上よりも、より長いハードウェアライフサイクルが排出量削減に効果的であると説明すること。
• 計算システムのライフサイクル全体にわたりエネルギーと素材の使用を最小限に抑えるという設計哲学として「フリーガルコンピューティング」を導入すること。
• コンパイラ、プログラミング言語、オペレーティングシステムを含む、計算システムのすべてのレイヤーにエネルギーおよび炭素コストの認識を統合することを提唱すること。
• システムのテレメトリを活用したデータ駆動型最適化の役割を強調し、劣化に配慮した運用、予測保全、エネルギー配分最適化を可能にすること。
• ヒューマンコンピュータインタラクション（HCI）が、ユーザーのエネルギー効率の良い行動を促し、デバイスの寿命を延ばす役割を果たすことを強調すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 生産段階の排出量が運用段階をすでに上回っている現状を踏まえ、計算システムを、ライフサイクル全体でエネルギーと素材の使用を最小限に抑えるように再設計するにはどうすればよいか。
• RQ2 現在の短い寿命をはるかに超えるデバイスの有用寿命を延長するために、ソフトウェア工学、ハードウェア設計、ビジネスモデルにどのようなシステム的変化が必要か。
• RQ3 ソフトウェア、コンパイラ、システムアーキテクチャにおけるエネルギー効率の向上が、計算需要の予想される増加を補うのにどの程度効果を発揮できるか。
• RQ4 インターフェース設計とフィードバックメカニズムを通じて、ユーザーの行動をどのように変えればデジタル活動の炭素足跡を削減できるか。
• RQ5 エネルギー意識のあるプログラミング言語やコンパイラといった形式的手法が、すべてのシステムコンponentでエネルギー消費を最小限に抑えるのに果たす役割は何か。

主な発見

• 計算機は現在、航空業界を上回るほぼ4％の世界的な炭素排出量を占めており、現状のトレンドが続くと2040年までに1.5°Cの炭素予算の50％を超えると予想される。
• 計算機デバイスの製造段階が運用段階を上回る排出量を生み出しているため、段階的効率向上よりも、デバイスの耐久性を高めることの方が排出量削減に効果的である。
• 物理的スケーリングの限界により、ムーアの法則は実質的に終焉に達しており、パフォーマンス・パワーレートの改善が鈍っており、エネルギー効率の向上だけでは需要の増加を相殺できない。
• 市場のダイナミクスだけではエネルギー需要の増加を防げない。プロアクティブなシステムレベル最適化がなければ、計算機のエネルギー消費は制御不能に増加する。
• より良いソフトウェア支援、修理インfra、長期的な部品供給を整えることで、デバイスの寿命を延長することは、排出量削減とゼロカーボンコンピューティングの実現に不可欠である。
• 持続的なエネルギー効率の向上、より長いデバイスライフサイクル、システム認識設計を組み合わせることで、パフォーマンスの向上に比例したエネルギーコストの増加なしに、ゼロカーボンコンピューティングのビジョンは達成可能である。