[논문 리뷰] Junkyard Computing: Repurposing Discarded Smartphones to Minimize Carbon

Jennifer Switzer, Marcano, Gabriel외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 13.

Green IT and Sustainability인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 폐기된 스마트폰을 '쓰레기장 컴퓨터'로 재활용하여 기기 수명을 연장함으로써 탄소 배출을 줄이는 방안을 제안한다. 새로운 지표인 계산 탄소 강도(CCI)를 사용하여, 재사용된 Pixel 3A 스마트폰 클러스터가 세 가지 연간 사용 기간 동안 마이크로서비스 워크로드에서 클라우드 서버보다 탄소 효율성이 뛰어나며, 쿼리당 최대 18.9배 낮은 탄소 강도를 달성함을 입증한다.

ABSTRACT

1.5 billion smartphones are sold annually, and most are decommissioned less than two years later. Most of these unwanted smartphones are neither discarded nor recycled but languish in junk drawers and storage units. This computational stockpile represents a substantial wasted potential: modern smartphones have increasingly high-performance and energy-efficient processors, extensive networking capabilities, and a reliable built-in power supply. This project studies the ability to reuse smartphones as "junkyard computers." Junkyard computers grow global computing capacity by extending device lifetimes, which supplants the manufacture of new devices. We show that the capabilities of even decade-old smartphones are within those demanded by modern cloud microservices and discuss how to combine phones to perform increasingly complex tasks. We describe how current operation-focused metrics do not capture the actual carbon costs of compute. We propose Computational Carbon Intensity -- a performance metric that balances the continued service of older devices with the superlinear runtime improvements of newer machines. We use this metric to redefine device service lifetime in terms of carbon efficiency. We develop a cloudlet of reused Pixel 3A phones. We analyze the carbon benefits of deploying large, end-to-end microservice-based applications on these smartphones. Finally, we describe system architectures and associated challenges to scale to cloudlets with hundreds and thousands of smartphones.

연구 동기 및 목표

• 소비자 전자기기, 특히 스마트폰의 짧은 수명 주기로 인한 환경 영향을 줄이기 위해 기기 수명을 최초 배포 이후로 연장하는 것.
• 에너지 소비 외에 제조 과정이 수명 주기 동안 탄소 배출에 가장 큰 기여를 한다는 점을 고려해 컴퓨팅 기기의 탄소 비용을 정량화하는 것.
• 재사용된 스마트폰이 현대의 마이크로서비스 워크로드에 대해 전통적인 클라우드 서버를 효과적으로 대체할 수 있는지 평가하는 것.
• 탄소 영향과 계산 유용성을 균형 잡는 데 초점을 맞춘 새로운 성능 지표인 계산 탄소 강도(CCI)를 개발하고 검증하는 것.
• 실제 벤치마크를 활용해 스마트폰 기반 클라우드렛의 대규모 구현 가능성과 탄소 효율성을 입증하는 것.

제안 방법

• 사용자 유용 계산 성능 단위당 수명 주기 동안의 탄소 영향을 측정하는 데 초점을 맞춘 계산 탄소 강도(CCI)를 지표로 도입한다.
• 폐기된 스마트폰(10년 된 모델 포함)과 GeekBench 및 DeathStarBench를 사용해 AWS T4g 및 c5.9xlarge 인스턴스를 비교하여 벤치마크를 수행한다.
• 10대의 재사용된 Pixel 3A 스마트폰(각각 65달러에 구입)으로 구성된 실제 클라우드렛을 구축하고, 마이크로서비스 워크로드(HotelReservation, SocialNetwork-Read, SocialNetwork-Write)를 배포한다.
• 스마트폰 클러스터의 에너지 소비와 CPU 활용도를 측정하고, 벤치마크 데이터를 기반으로 c5.9xlarge EC2 인스턴스의 예상 전력 소모와 비교한다.
• 공개된 LCA 데이터를 사용해 제조 탄소 배출량을 추정하고, 다양한 워크로드에서 쿼리당 탄소 강도를 계산한다.
• 지연 시간 저하가 발생하기 이르기까지의 처리량 임계값을 사용해 실질적 성능과 탄소 효율 비율을 결정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 재사용된 스마트폰은 일반적인 마이크로서비스 워크로드에서 현대의 클라우드 서버 성능을 따라하거나 초월할 수 있는가?
• RQ2 3년간의 구현 기간 동안, 재사용된 스마트폰 클러스터의 탄소 강도는 목적에 맞게 설계된 클라우드 서버와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 재사용을 통해 기기 수명을 연장함으로써 계산 시스템의 전체 탄소 발자국을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ4 제조 배출량이 컴퓨팅 기기의 총 탄소 비용에 미치는 영향는 무엇이며, 이를 성능 지표에 어떻게 반영할 수 있는가?
• RQ5 스마트폰 기반 클라우드렛을 수백 또는 수천 대로 확장하면서도 효율성을 유지할 수 있는 시스템 아키텍처는 어떻게 설계할 수 있는가?

주요 결과

• 3년간 사용한 후 마이크로서비스 워크로드인 혼합형 HotelReservation에 대해 스마트폰 기반 클라우드렛은 c5.9xlarge EC2 인스턴스 대비 탄소 효율성이 12.6배 뛰어나다.
• SocialNetwork-Write 워크로드에서는 피크 처리량이 낮음에도 불구하고 스마트폰 클러스터는 c5.9xlarge 인스턴스 대비 탄소 효율성이 18.9배 뛰어나다.
• 심지어 10년 된 스마트폰들도 GeekBench 점수, 코어 수, 메모리 용량 등의 핵심 지표에서 AWS T4g 인스턴스와 동등하거나 이를 초월한다.
• 클라우드렛은 총 17W의 전력만 소비하여 냉각 장치가 거의 필요 없으며, 저전력 환경에서도 배치가 가능하다.
• 스마트폰 클러스터의 CPU 활용도는 항상 50% 이하로 유지되어, 특히 읽기 중심 워크로드에서 상당한 활용되지 않은 계산 용량이 존재함을 시사한다.
• 연구 결과, 제조 과정이 스마트폰의 수명 주기 동안 탄소 발자국의 70~85%를 차지하므로, 기기 재사용이 탄소 감소에 매우 중요하다는 점을 확인했다.