[논문 리뷰] TerraWatt: Sustaining Sustainable Computing of Containers in Containers

Jennifer Switzer, Rob McGuinness외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 12.

Cloud Computing and Resource Management참고 문헌 24인용 수 4

한 줄 요약

TerraWatt는 간헐적인 재생 가능 에너지로 구동되는 모듈식 'SunDrop' 컨테이너에 구식 하드웨어를 사용하여 지리적으로 분산된 탄소 배출 없이 작동하는 컴퓨팅 인프라를 제안한다. 과잉 생산되거나 가격이 음수인 재생 에너지를 활용하고, 지역 간에 동적으로 워크로드를 스케줄링하며, 간헐적인 전력 공급과 데이터 이동성에 내성을 갖춘 시스템을 설계함으로써, 최소한의 임베디드 에너지 낭비로 지속 가능한 저탄소 클라우드 컴퓨팅을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Each day the world inches closer to a climate catastrophe and a sustainability revolution. To avoid the former and achieve the latter we must transform our use of energy. Surprisingly, today's growing problem is that there is too much wind and solar power generation at the wrong times and in the wrong places. We argue for the construction of TerraWatt: a geographically-distributed, large-scale, zero-carbon compute infrastructure using renewable energy and older hardware. Delivering zero-carbon compute for general cloud workloads is challenging due to spatiotemporal power variability. We describe the systems challenges in using intermittent renewable power at scale to fuel such an older, decentralized compute infrastructure.

연구 동기 및 목표

• 과잉 생산되거나 음수 가격의 재생 에너지를 재활용하여 처리함으로써 증가하는 재생 에너지의 낭비 문제를 해결한다.
• 간헐적인 재생 에너지와 노령 하드웨어에서 지속 가능하게 작동하는 확장 가능한 분산 컴퓨팅 인프라를 설계한다.
• 하드웨어 폐기와 에너지 낭비를 방지함으로써 클라우드 컴퓨팅의 탄소 및 임베디드 에너지 풋프린트를 최소화한다.
• 간헐적인 전력 공급에 내성을 갖추고 지역 간 워크로드 이동을 지원하는 시스템 및 네트워킹 추상화를 개발한다.
• 개별 워크로드 및 사용자 수준에서 정밀한 에너지 및 탄소 회계를 가능하게 한다.

제안 방법

• 재생 에너지 자원이 풍부하고 지리적으로 산재한 지역에 구식 하드웨어를 탑재한 모듈식 컨테이너형 데이터센터(SunDrops)를 구축한다.
• ISO(예: CAISO, MISO)에서 제공하는 실시간 및 예측 전력 가격을 기반으로 워크로드 배치 및 스케줄링을 지도한다.
• 재생 에너지 가용성과 전력 변동에 따라 워크로드를 SunDrops 간에 동적으로 이동시키고 체크포인팅을 구현한다.
• 가용 전력에 따라 네트워크 자원을 유연하게 확장할 수 있는 탄력적이고 전력 인지 네트워킹(예: ElasticTree 확장)을 설계한다.
• 작업 및 고객 단위의 임베디드 에너지와 운영 배출량을 추적하기 위해 정밀한 에너지 및 탄소 회계를 통합한다.
• 고용량 재생 에너지 생산 지역(예: 풍력 발전소) 근처에 SunDrops를 입지시켜 기회 전력에의 최대 접근성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 과잉 생산되거나 음수 가격의 재생 에너지와 노령 하드웨어만을 사용하여 대규모의 탄소 배출 없이 작동하는 클라우드 인프라를 구축할 수 있는가?
• RQ2 간헐적인 전력 공급에 내성을 갖추고 지역 간 동적 워크로드 이동을 지원할 수 있는 시스템 및 네트워킹 추상화는 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ3 지리적으로 분산된 간헐적인 전력 공급을 받는 데이터센터 간에 효율적인 워크로드 스케줄링을 위한 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 탄소 및 임베디드 에너지 풋프린트는 거시적 및 미시적 스케일에서 정확히 측정하고 보고할 수 있는가?
• RQ5 기회 전력(과잉 생산되거나 음수 가격의 전력)을 얼마나 효과적으로 활용하여 일반 목적의 클라우드 워크로드를 지속 가능하게 구동할 수 있는가?

주요 결과

• CAISO만으로도 2025년까지 22 TWh의 기회 전력 자원을 확보할 수 있으며, 이는 로스앤젤레스 시 전체를 운영하는 데 충분한 자원임을 시사한다. 이는 아직 활용되지 않은 거대한 자원임을 의미한다.
• MISO와 CAISO의 기회 전력은 최대 100시간 이상의 간격으로 이용 가능하며, MISO에서는 99%의 시간 동안 기회 전력이 존재함을 확인하여 장기간의 워크로드 운영이 가능함을 보여준다.
• CAISO와 MISO에서 기회 전력 1시간 분량을 저장하는 데 드는 비용은 최소 $3500만 달러로 추정되며, 이는 대규모 저장의 경제적 비현실성을 입증한다.
• SunDrops는 MISO의 풍력 발전소와 같이 최대 250 MW의 기회 전력 자원을 확보할 수 있는 고생산 지역 근처에 입지시킬 수 있어 에너지 접근성을 극대화할 수 있다.
• SunDrops 간의 동적 워크로드 이동을 통해 작업이 재생 에너지 가용성에 따라 따라가게 되어, 전력망에 의존하는 정도와 탄소 배출량이 감소한다.
• 이 프레임워크는 사용자가 재생 에너지 비율(예: ≥X%)과 탄소 배출량(예: ≤Y kg CO₂e)을 설정할 수 있도록 하며, 워크로드의 유연성과 전력 가용성 덕분에 이러한 목표를 달성할 수 있다.