[論文レビュー] Sustainability-Aware Cloud Computing Using Virtual Carbon Tax

Fereydoun Farrahi Moghaddam, Mohamed Cheriet|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2015

Cloud Computing and Resource Management参考文献 19被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、利益と環境影響のバランスを取るために仮想炭素税を用いる持続可能性に配慮したクラウドコンピューティングフレームワークを提案する。動的最適化によりCPU周波数を制御することで、炭素、硫黄、鉄のインパクトを低減しつつ、実際の利益を維持する。実際のテストベッド上で検証された結果、仮想利益の損失は最大で3.232 USD/h、最適周波数は1.6 GHzに達した。

ABSTRACT

In this paper, a solution for sustainable cloud system is proposed and then implemented on a real testbed. The solution composes of optimization of a profit model and introduction of virtual carbon tax to limit environmental footprint of the cloud. The proposed multi-criteria optimizer of the cloud system suggests new optimum CPU frequencies for CPU-cores when the local grid energy mix or the cloud workload changes. The cloud system is implemented on a blade system, and proper middlewares are developed to interact with the blades. The experimental results show that it is possible to significantly decrease the targeted environmental footprint of the system and keep it profitable.

研究の動機と目的

• クラウドの利益を最大化すると同時に環境負荷を最小化するという、多目的課題に取り組むこと。
• ヒューリスティック最適化手法の限界を克服し、多基準問題を迅速に単一目的問題に変換する手法を提案すること。
• 電力網のエネルギーミックスとワークロードの変化に応じたリアルタイム適応を可能にするために、動的電圧周波数スケーリング（DVFS）を統合すること。
• ベーシックサーバー基盤上で実装された実世界のテストベッドを通じて、持続可能性に配慮したクラウドシステムの実現可能性を検証すること。
• 仮想環境税が、実際の利益を損なうことなく、排出量を低減する方向にシステム行動を誘導できることを示すこと。

提案手法

• 多目的持続可能性最適化問題を単一目的の利益最大化問題に変換するため、仮想炭素税（VCT）を導入する。
• 電力網のエネルギーミックスとワークロードに応じてCPUコア周波数を調整するため、動的電圧周波数スケーリング（DVFS）を採用する。
• 仮想利益を最大化することで最適なCPU周波数を選択する多基準最適化器を開発し、炭素、硫黄、鉄の排出に対するペナルティを組み込む。
• ベーシックサーバーとカスタムミドルウェアを用いた実際のテストベッドを構築し、DVFS対応CPUと接続し、エネルギーと排出量メトリクスを監視する。
• 炭素排出量換算値1kgあたり1～3米ドルの動的仮想税率を適用し、環境コストの影響をシミュレートし、最適化をガイドする。
• 実利益を計算するためのフラットレート収益モデル（0.08 USD/GHz時間）を用い、仮想利益と比較することで、持続可能性のトレードオフを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 仮想炭素税は、スケーラブルな単一目的の利益最大化問題に変換する多目的持続可能性最適化問題を効果的に処理できるか？
• RQ2 DVFSにおける動的CPU周波数スケーリングは、クラウドの利益と環境負荷のトレードオフにどのように影響するか？
• RQ3 仮想税が、実システムの利益を維持したまま、炭素、硫黄、鉄の排出をどの程度低減できるか？
• RQ4 電力網のエネルギーミックスやピーク料金の変化が、最適なCPU周波数選定にどのように影響するか？
• RQ5 実世界のテストベッドは、動的環境コストモデリングを統合した持続可能性に配慮したクラウドシステムの実現可能性と性能を確認できるか？

主な発見

• 仮想税が炭素、硫黄、鉄の排出に課された場合、炭素排出量は2.138 g/kWhの最小値に低下し、最適CPU周波数は1.6 GHzに達した。
• 炭素、硫黄、鉄の排出に統合された仮想税が課された状況では、仮想利益は-3.232 USD/hに低下したが、実利益は0.286 USD/hの正の水準を維持した。
• 高水準の仮想課税下では最適CPU周波数が1.6 GHzに低下し、周波数スケーリングによる排出量削減が効果的であることが示された。
• 仮想利益と持続可能性のトレードオフ空間から、高水準の仮想税が排出量、特に硫黄と鉄の排出量を顕著に低減することが判明した。
• 結果から、仮想税が、実世界の経済的持続可能性を損なわずに、システム行動を低環境影響方向に制御するための制御ノブとして使用可能であることが示された。
• テストベッドの実装により、動的電力網およびワークロード状態に基づくCPU周波数の迅速かつリアルタイムの最適化が可能であることが確認された。