[논문 리뷰] Chasing Carbon: The Elusive Environmental Footprint of Computing

Udit Gupta, Young Geun Kim외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 28.

Green IT and Sustainability인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 운영(operational, opex) 및 제조(manufacturing, capex) 탄소 배출을 구분하여 현대 컴퓨팅 시스템의 환경 영향을 정량화한다. 그 결과, 하드웨어 제조가 이제는 모바일 및 데이터센터 시스템의 탄소 발자국을 지배하고 있음을 밝혀냈다. 에너지 효율성 향상과 재생 가능 에너지 사용에도 불구하고, AI 및 모바일 워크로드로 인한 하드웨어 수요 증가로 인해 capex 관련 배출은 증가하고 있으며, 이는 연구자들이 시스템 아키텍처 및 회로 설계에서 탄소 발자국을 제1순위 설계 지표로 고려해야 한다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

Given recent algorithm, software, and hardware innovation, computing has enabled a plethora of new applications. As computing becomes increasingly ubiquitous, however, so does its environmental impact. This paper brings the issue to the attention of computer-systems researchers. Our analysis, built on industry-reported characterization, quantifies the environmental effects of computing in terms of carbon emissions. Broadly, carbon emissions have two sources: operational energy consumption, and hardware manufacturing and infrastructure. Although carbon emissions from the former are decreasing thanks to algorithmic, software, and hardware innovations that boost performance and power efficiency, the overall carbon footprint of computer systems continues to grow. This work quantifies the carbon output of computer systems to show that most emissions related to modern mobile and data-center equipment come from hardware manufacturing and infrastructure. We therefore outline future directions for minimizing the environmental impact of computing systems.

연구 동기 및 목표

• 현대 컴퓨팅 시스템의 환경 영향을 정량화하고, 운영에서 제조 관련 탄소 배출로의 전환을 규명한다.
• 에너지 효율성 향상과 재생 가능 에너지 도입이 제조 배출을 해결하지 못하면 전체 탄소 발자국 감소가 불가능하다는 점을 부각한다.
• 성능과 에너지 효율성과 함께 탄소 발자국을 컴퓨터 시스템 연구의 제1순위 최적화 목표로 삼아야 한다는 것을 주장한다.
• 시스템 아키텍처, 회로 및 반도체 혁신을 통해 capex 관련 배출을 최소화하기 위한 향후 연구를 이끌어낸다.
• 지속 가능한 시스템 설계를 위해 표준화된 탄소 회계 및 다학제적 협력을 촉진한다.

제안 방법

• 저자들은 2008년에서 2019년 사이에 Facebook의 프라인빌 프로젝트 데이터센터 및 아이폰 모델(3GS에서 11까지)의 에너지 소비 및 탄소 배출에 관한 산업 보고 자료를 분석한다.
• 수명주기 평가 원칙을 사용하여 탄소 배출를 opex(운영 에너지 사용) 및 capex(하드웨어 제조 및 인프라) 성분으로 분해한다.
• Facebook의 재생 가능 에너지 전환에 기반한 실제 데이터를 사용하여, 녹색 에너지를 통해 운영 탄소 배출를 거의 0으로 줄일 수 있음을 입증한다.
• 모바일 기기와 데이터센터 간의 배출 추세를 비교하여 시간이 지남에 따라 capex 배출의 지배적 위치가 증가하는 것을 보여준다.
• 회로에서 시스템 아키텍처에 이르기까지 시스템 설계 계층 전반에서 탄소 영향을 평가하는 프레임워크를 제안한다.
• 탄소 발자국을 설계 지표에 통합하고, 저탄소 회로 및 지속 가능한 제조 공정을 공동 설계하는 데 있어 연구 방향을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2008년에서 2019년 사이에 아이폰의 탄소 발자국은 어떻게 변화했으며, 제조와 운영 사용 중 각각 어떤 비율을 차지하는가?
• RQ2 데이터센터에서 재생 가능 에너지가 운영 탄소 배출를 얼마나 줄일 수 있으며, 이러한 완화 조치 이후 남는 것은 무엇인가?
• RQ3 왜 현대 컴퓨팅 시스템의 탄소 발자국이 에너지 사용이 아니라 하드웨어 제조에 의해 지배받고 있는가?
• RQ4 향후 컴퓨터 시스템에서 capex 관련 탄소 배출를 최소화하기 위해 어떤 설계 및 연구 전략이 필요한가?
• RQ5 탄소 발자국을 컴퓨터 아키텍처 및 회로 설계에서 제1순위 최적화 지표로 통합하는 방법은 무엇인가?

주요 결과

• 2009년에서 2019년 사이에 아이폰의 탄소 발자국은 운영 관련 60%에서 제조 관련 70%로 변화했으며, 제조 배출의 지배적 위치가 증가함을 시사한다.
• Facebook의 프라인빌 데이터센터는 2019년까지 재생 가능 에너지 조달을 통해 운영 탄소 배출를 거의 0으로 줄였으며, 에너지 소비는 4배 증가했다.
• 재생 가능 에너지 도입 이후, Facebook의 나머지 탄소 배출의 80% 이상이 capex 관련이었으며, 주로 하드웨어 제조 및 인프라에서 기인했다.
• 에너지 효율성 향상이 이루어지는 상황에서도 하드웨어 제조가 현대 모바일 및 데이터센터 시스템의 탄소 배출의 대부분을 차지하고 있다.
• 향후 시스템 설계는 자원 할당, 특화, 더 긴 하드웨어 수명 주기 등의 아키텍처 및 회로 수준 혁신을 통해 capex 관련 배출을 우선 고려해야 한다.
• 에너지 효율성 최적화만으로는 부족하며, 성능과 전력 효율성과 함께 탄소 발자국을 제1순위 설계 지표로 고려해야 한다는 점을 연구가 입증했다.