[論文レビュー] TerraWatt: Sustaining Sustainable Computing of Containers in Containers

Jennifer Switzer, Rob McGuinness+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2021

Cloud Computing and Resource Management参考文献 24被引用数 4

ひとこと要約

TerraWattは、間欠的で再生可能エネルギーで駆動されるモジュラーな'SunDrop'コンテナに古くなったハードウェアを使用することで、地理的に分散したゼロカーボンコンピューティングインフラを提案する。需要が予測できない再生可能エネルギーの余剰やマイナス価格の電力を活用し、地域間で動的かつ柔軟にワークロードをスケジューリングし、電力の途切れに耐えうるシステムとデータの移動性を設計することで、最小限の埋め込みエネルギーの浪費で持続可能で低炭素のクラウドコンピューティングを実現する。

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.

研究の動機と目的

• 余剰の発電されたり、マイナス価格で売却される再生可能エネルギーの増加に対処し、それを計算に再利用すること。
• 間欠的で安定しない再生可能エネルギーとレガシーハードウェアで動作するスケーラブルで分散型のコンピューティングインフラを設計すること。
• ハードウェアの早期廃棄を回避し、エネルギーの浪費を減らすことで、クラウドコンピューティングの炭素および埋め込みエネルギーの足取りを最小限に抑えること。
• 電力の途切れに耐えうるシステムおよびネットワーキングの抽象化を設計し、地域間でのワークロード移動を支援すること。
• 個々のワークロードおよびユーザーごとのエネルギーと炭素の精細な会計を可能にすること。

提案手法

• 再生可能エネルギーが豊富で、地理的に分散した場所に、古くなったハードウェアを搭載したモジュラーでコンテナ型のデータセンター（SunDrops）を設置すること。
• ISO（例：CAISO、MISO）からのリアルタイムおよび予測電力価格を活用し、ワークロードの配置とスケジューリングを最適化すること。
• 再生可能エネルギーの供給状況や電力の変動に応じて、SunDrops間でのジョブの動的移行とチェックポイント技術を実装すること。
• 利用可能な電力に応じてネットワークリソースをスケーリングする、柔軟で電力に配慮したネットワーキング（例：ElasticTreeの拡張）を設計すること。
• タスクおよび顧客ごとの埋め込みエネルギーと運用時の排出ガスを追跡する、精細なエネルギーおよび炭素会計を統合すること。
• 高容量の再生可能エネルギー発電施設（例：風力発電所）の近くにSunDropsを設置することで、機会的電力へのアクセスを最大化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 余剰の再生可能エネルギーとレガシーハードウェアのみを用いて、大規模なゼロカーボンクラウドインフラを構築できるか？
• RQ2 電力供給の途切れに耐えうるシステムおよびネットワーキングの抽象化は、どのように設計できるか？
• RQ3 地理的に分散し、間欠的に電力が供給されるデータセンター間で、どのように効率的なワークロードスケジューリングを実現できるか？
• RQ4 炭素および埋め込みエネルギーの足取りを、マクロスケールおよびマイクロスケールの両方で正確に測定・報告できる仕組みは何か？
• RQ5 機会的電力（余剰またはマイナス価格の電力）をどれだけ活用して、一般用途のクラウドワークロードを持続可能に運用できるか？

主な発見

• CAISOだけで2025年までに22 TWhの機会的電力が得られ、ロサンゼルス市の電力需要を満たすのに十分である。これは、巨大な未利用資源であることを示している。
• MISOとCAISOにおける機会的電力は、1回の期間で100時間以上にわたり利用可能であり、MISOでは99％の期間で利用可能である。これにより、継続的なワークロード運用が可能である。
• CAISOおよびMISOにおける1時間分の機会的電力の貯蔵コストは、保守的な見積もりで3,500万ドルに達する。これは、大規模な貯蔵が経済的に非現実的であることを示している。
• SunDropsは、MISOの風力発電所など、最大250 MWの機会的電力を供給可能な高生産性の再生可能エネルギー施設の近くに設置可能であり、エネルギーへのアクセスを最大化できる。
• SunDrops間での動的ワークロード移行により、再生可能エネルギーの供給にあわせてジョブを移動させることができ、グリッド電力への依存度と炭素排出量を低減できる。
• このフレームワークにより、ユーザーは再生可能エネルギーの割合（例：X％以上）や炭素排出量（例：Y kg CO₂e未満）といった目標を指定可能であり、ワークロードの柔軟性と電力の可用性のおかげで達成可能である。