[論文レビュー] Ecovisor: A Virtual Energy System for Carbon-Efficient Applications

Abel Souza, Noman Bashir+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2022

Cloud Computing and Resource Management被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、アプリケーションがリアルタイムでのグリッドの炭素強度と再生可能エネルギーの可用性を把握できるようにし、動的な電力制御およびバッテリ制御を通じて炭素効率を最適化できるようにする、ソフトウェア定義の仮想エネルギーシステム「Ecovisor」を提案する。エネルギーインfra構造を仮想化し、アプリケーションレベルでの可視化と制御を提供することで、Ecovisorは多様なワークロードがエネルギー供給の変動に独立して適応可能にし、包括的なシステム政策を越えて炭素効率を著しく向上させる。

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.

研究の動機と目的

• 増加するエネルギー需要に伴い、ハイパースケールクラウドプラットフォームによる炭素排出量の増加に対処するため。
• 現在のエネルギーシステムがアプリケーションに対して再生可能エネルギーの変動性とグリッドの炭素強度を隠しているため、炭素効率の最適化が不可能である問題を解決するため。
• エネルギー供給の特性に関する可視化と制御を提供することで、アプリケーションが自らの炭素排出量を独立して管理できるようにするため。
• 物理的エネルギーインフラ（グリッド、再生可能エネルギー、バッテリ）を仮想化し、アプリケーションレベルでの制御を可能にするプロトタイプ「ecovisor」の設計および実装を行うため。
• アプリケーション固有の炭素効率最適化が可能であり、モノリシックなシステム全体のポリシーを上回ることを実証するため。

提案手法

• グリッド電力、現地に設置された再生可能エネルギー、バッテリストレージを含む物理的エネルギーインfraを抽象化する仮想エネルギーインフラ（ecovisor）を設計および実装する。
• 電力マップなどの情報源から得られるリアルタイムの炭素強度データ（例：electricityMap）と再生可能エネルギー発電量を、ソフトウェア定義インターフェースを通じてアプリケーションに公開する。
• アプリケーションごとに仮想的な電力制限とバッテリの充放電制御を実装し、エネルギー供給状況に応じた動的適応を可能にする。
• 既存の仮想化およびリソース制御技術（例：パワーカンツ、制限）を活用し、アプリケーションレベルでのエネルギー使用量の割り当てと制御を実現する。
• 炭素強度と再生可能エネルギーの可用性に応じて反応するアプリケーションレベルのポリシーを統合し、持続可能性の目標に基づいて作業をシフトまたは制限可能にする。
• 複数のアプリケーションを用いてecovisorプロトタイプを評価し、アプリケーション固有のポリシーとシステム全体のポリシーの下での炭素効率を比較する。

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

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アプリケーションレベルでのリアルタイムのグリッド炭素強度と再生可能エネルギーの可用性の可視化は、包括的なシステム政策を超えて炭素効率を向上させることができるか？
• RQ2 仮想化されたエネルギーリソース（例：電力制限、バッテリ充電）のソフトウェア定義制御をアプリケーションにどのように公開することで、炭素に配慮したワークロードスケジューリングが可能になるか？
• RQ3 優先順位の異なる複数のアプリケーションが同じ仮想エネルギーインフラを使用する場合、パフォーマンスと炭素効率のトレードオフはどのようなものか？
• RQ4 Ecovisorは、共有インフラ上で多様なワークロードに対して、同時に異なる炭素効率最適化をサポートできるか？
• RQ5 エネルギーインフラの仮想化により、現在のハードウェア抽象化モデルでは実現不可能な、新たな種類の炭素に配慮した最適化が可能になるか？

主な発見

• ecovisorプロトタイプは物理的エネルギーインフラを正常に仮想化し、アプリケーションがグリッドの炭素強度と再生可能エネルギーの可用性をリアルタイムで把握できるようにした。
• ecovisorを利用したアプリケーションは、自らの要件と持続可能性の目標に基づいて電力使用量とバッテリとの相互作用を調整することで、独立して炭素効率を最適化できる。
• ecovisorは、低炭素期間に作業をシフトする、または高炭素フェーズ中に制限をかけるといった、複数の異なる炭素効率戦略を同時に実行可能にし、互いに競合することなく運用できる。
• システム全体のポリシーと比較して、ecovisorはアプリケーションが時間的柔軟性、パフォーマンス、エネルギー使用量の独自の特性に応じた行動を最適化できるため、より高い炭素効率を達成できる。
• プロトタイプは、ソフトウェアベースのエネルギー制御が、クリーンエネルギーの本質的な変動性を効果的に可視化・管理でき、細粒度の炭素に配慮したスケジューリングを可能にすることを示している。
• Ecovisorは、将来的に分散型のecovisorクラスタ間での協調を可能にする基盤を提供する。

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