[논문 리뷰] Ecovisor: A Virtual Energy System for Carbon-Efficient Applications

Abel Souza, Noman Bashir외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 10.

Cloud Computing and Resource Management인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 응용 프로그램이 실시간으로 전력망의 탄소 강도와 재생 가능 에너지 가용성을 파악하고, 동적 전력 및 배터리 제어를 통해 탄소 효율성을 최적화할 수 있도록 하는 소프트웨어 정의 가상 에너지 시스템 Ecovisor를 제안한다. 에너지 인프라를 가상화하고 응용 프로그램 수준에서의 가시성과 제어를 제공함으로써, 다양한 워크로드가 에너지 공급 변동성에 독립적으로 대응할 수 있게 되어, 전체 시스템 정책을 초월해 탄소 효율성을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

Cloud platforms' rapid growth is raising significant concerns about their carbon emissions. To reduce emissions, future cloud platforms will need to increase their reliance on renewable energy sources, such as solar and wind, which have zero emissions but are highly unreliable. Unfortunately, today's energy systems effectively mask this unreliability in hardware, which prevents applications from optimizing their carbon-efficiency, or work done per kilogram of carbon emitted. To address this problem, we design an "ecovisor", which virtualizes the energy system and exposes software-defined control of it to applications. An ecovisor enables each application to handle clean energy's unreliability in software based on its own specific requirements. We implement a small-scale ecovisor prototype that virtualizes a physical energy system to enable software-based application-level i) visibility into variable grid carbon-intensity and renewable generation and ii) control of server power usage and battery charging/discharging. We evaluate the ecovisor approach by showing how multiple applications can concurrently exercise their virtual energy system in different ways to better optimize carbon-efficiency based on their specific requirements compared to a general system-wide policy.

연구 동기 및 목표

• 증가하는 에너지 수요로 인해 증가하는 초규모 클라우드 플랫폼의 탄소 배출을 해결하기 위해.
• 현재 에너지 시스템이 응용 프로그램에게 재생 가능 에너지의 변동성과 전력망의 탄소 강도를 숨기고 있어 탄소 효율성 최적화를 방해하는 문제를 해결하기 위해.
• 에너지 공급 특성에 대한 가시성과 제어를 제공함으로써 응용 프로그램이 자체적으로 탄소 발자국을 관리할 수 있도록 하기 위해.
• 물리적 에너지 시스템(전력망, 재생 가능 에너지, 배터리 포함)을 가상화하여 응용 프로그램 수준에서 제어할 수 있도록 프로토타입 Ecovisor를 설계하고 구현하기 위해.
• 응용 프로그램 전용 탄소 효율성 최적화가 가능하고, 단일 전체 시스템 정책보다도 뛰어나다는 것을 입증하기 위해.

제안 방법

• 전력망 전력, 현장 내 재생 가능 에너지, 배터리 저장소를 포함한 물리적 에너지 인프라를 추상화하는 가상 에너지 시스템(Ecovisor)을 설계하고 구현하기 위해.
• 전기Map 등의 출처에서 제공하는 실시간 탄소 강도 데이터와 재생 가능 에너지 발전 수준을 소프트웨어 정의 인터페이스를 통해 응용 프로그램에 노출하기 위해.
• 응용 프로그램별로 가상 전력 제한과 배터리 충전/방전 제어를 구현하여 에너지 공급 조건에 동적으로 대응할 수 있도록 하기 위해.
• 기존의 가상화 및 자원 제어 기법(예: 전력 컨테이너, 제한)을 활용하여 응용 프로그램 수준에서 에너지 사용을 할당하고 규제하기 위해.
• 탄소 강도와 재생 가능 에너지 가용성에 반응하는 응용 프로그램 수준 정책을 통합하여 지속 가능성 목표에 따라 작업을 이주하거나 속도를 조절할 수 있도록 하기 위해.
• 다양한 응용 프로그램을 대상으로 Ecovisor 프로토타입을 평가하여, 응용 프로그램 전용 정책 대비 전체 시스템 정책 하에서의 탄소 효율성을 비교하기 위해.

Figure 1: Grid carbon emissions for three different regions showing spatial and temporal variations.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 응용 프로그램 수준에서 실시간 전력망 탄소 강도와 재생 가능 에너지 가용성에 대한 가시성이 전체 시스템 정책을 초월해 탄소 효율성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 가상화된 에너지 자원(예: 전력 제한, 배터리 충전)의 소프트웨어 정의 제어를 응용 프로그램에 어떻게 노출시켜 탄소 인지 작업 스케줄링을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ3 다른 우선순위를 가진 여러 응용 프로그램이 동일한 가상 에너지 시스템을 사용할 경우 성능과 탄소 효율성 간의 상충 관계는 어떻게 되는가?
• RQ4 Ecovisor는 공유 인프라 상에서 이질적인 워크로드에 대해 동시에 다양한 탄소 효율성 최적화를 지원할 수 있는가?
• RQ5 에너지 시스템의 가상화가 기존 하드웨어 추상화 모델로는 구현이 어려운 새로운 유형의 탄소 인지 최적화를 가능하게 하는가?

주요 결과

• Ecovisor 프로토타입은 물리적 에너지 시스템을 성공적으로 가상화하여 응용 프로그램이 실시간으로 전력망 탄소 강도와 재생 가능 에너지 가용성을 파악할 수 있도록 한다.
• Ecovisor를 사용하는 응용 프로그램은 자체 요구사항과 지속 가능성 목표에 따라 전력 사용과 배터리 상호작용을 조정함으로써 독립적으로 탄소 효율성을 최적화할 수 있다.
• Ecovisor는 서로 간에 충돌하지 않도록, 저탄소 기간 동안 작업을 이주하거나 고탄소 단계에서 속도를 줄이는 등의 다양한 탄소 효율 전략을 동시에 구현할 수 있다.
• 전체 시스템 정책에 비해 Ecovisor는 응용 프로그램이 시간, 성능, 에너지 사용에 대한 고유한 유연성을 기반으로 행동을 맞춤화함으로써 더 높은 탄소 효율성을 달성할 수 있다.
• 프로토타입은 소프트웨어 기반의 에너지 시스템 제어가 청정 에너지의 내재된 변동성을 효과적으로 노출하고 관리하여 세밀한 탄소 인지 스케줄링을 가능하게 한다는 것을 입증한다.
• Ecovisor는 향후 분산된 Ecovisor 클러스터 간의 협업 기반으로 지오분산된 탄소 최적화 워크로드를 지원할 수 있는 기반을 제공한다.

Figure 2: Our ecovisor’s design uses containers (or VMs) for resource, energy, and carbon management.