[論文レビュー] When the Metaverse Meets Carbon Neutrality: Ongoing Efforts and Directions

Fangming Liu, Qiangyu Pei+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2023

Virtual Reality Applications and Impacts被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、インフラストラクチャ、インタラクション、エコノミーの各レイヤーを分析することで、メタバースの炭素足跡を評価・低減する包括的なフレームワークを提案する。炭素効率を測る定量的指標として、サービス品質を炭素排出量当たりに評価する「炭素ユーティリティ（CU）」を導入し、今後の3つの主な方向性を特定する：パフォーマンス指標の共同最適化、エンド・ツー・エンドのレイヤー／コンponent統合、ユーザー行動に及ぼす炭素影響を管理する新たな規制メカニズム。これらは2030年までにメタバースをエネルギー効率化し、世界的な炭素中立目標と整合可能にするのを目的としている。

ABSTRACT

The metaverse has recently gained increasing attention from the public. It builds up a virtual world where we can live as a new role regardless of the role we play in the physical world. However, building and operating this virtual world will generate an extraordinary amount of carbon emissions for computing, communicating, displaying, and so on. This inevitably hinders the realization of carbon neutrality as a priority of our society, adding heavy burden to our earth. In this survey, we first present a green viewpoint of the metaverse by investigating the carbon issues in its three core layers, namely the infrastructure layer, the interaction layer, and the economy layer, and estimate their carbon footprints in the near future. Next, we analyze a range of current and emerging applicable green techniques for the purpose of reducing energy usage and carbon emissions of the metaverse, and discuss their limitations in supporting metaverse workloads. Then, in view of these limitations, we discuss important implications and bring forth several insights and future directions to make each metaverse layer greener. After that, we investigate green solutions from the governance perspective, including both public policies in the physical world and regulation of users in the virtual world, and propose an indicator Carbon Utility (CU) to quantify the service quality brought by an user activity per unit of carbon emissions. Finally, we identify an issue for the metaverse as a whole and summarize three directions: (1) a comprehensive consideration of necessary performance metrics, (2) a comprehensive consideration of involved layers and multiple internal components, and (3) a new assessing, recording, and regulating mechanism on carbon footprints of user activities. Our proposed quantitative indicator CU would be helpful in regulating user activities in the metaverse world.

研究の動機と目的

• メタバースのインフラストラクチャ、インタラクション、エコノミーの3つのコアレイヤーにわたる炭素排出を分析すること。
• メタバースワークロードにおけるエネルギー消費と炭素排出を低減するための現在および新興のグリーン技術を同定・評価すること。
• 個々のコンponents や指標に限定された既存のグリーン技術の限界を是正し、システム全体の効率性を向上させること。
• 仮想世界におけるユーザー行動の炭素影響を追跡・管理するための新たな規制メカニズムを提案すること。
• サービス品質と炭素効率の両立を可能にする定量的指標として、炭素ユーティリティ（CU）を導入すること。

提案手法

• 本論文は、2022年から2030年までの期間にわたり、インフラストラクチャ、インタラクション、エコノミーの各レイヤーにおけるメタバースの炭素足跡を段階的分析し、排出量を推定する。
• ワークロード統合、デバイスエッジ連携、エネルギー効率の高いハードウェアといった既存のグリーン技術を評価し、メタバース固有のワークロードへの適用可能性に焦点を当てる。
• 著者らは、炭素排出量当たりのサービス品質を定量化する指標「炭素ユーティリティ（CU）」を提唱し、異なるユーザー行動間でのパフォーマンス比較を可能にする。
• 個々のコンponent やレイヤーの改善にとどまらず、すべてのコンponent とレイヤーを統合的に考慮するエンド・ツー・エンド最適化戦略を提唱する。
• レイテンシ、セキュリティ、コストといったパフォーマンス指標をエネルギー効率と統合し、バランスの取れたトレードオフを実現する。
• CU指標を用いて、ユーザー行動の炭素影響を評価・記録・規制する新たな規制メカニズムを提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 メタバースのインフラストラクチャ、インタラクション、エコノミーの各レイヤーにおける炭素排出の主な要因は何か。また、それらは2030年までにどのように拡大するか。
• RQ2 現在のグリーン技術は、メタバースワークロードのエネルギー消費と炭素排出を低減するためにどれほど効果的か。また、その主な限界は何か。
• RQ3 仮想世界における多様なユーザー行動の炭素効率を評価するための統一指標をどのように設計できるか。
• RQ4 すべてのメタバースレイヤーとコンponent にわたる包括的なエネルギー効率を達成するには、どのようなシステム的変化が必要か。
• RQ5 仮想世界のガバナンスメカニズムをどのように見直すれば、炭素影響に基づいたユーザー行動の規制が可能になるか。

主な発見

• もし効果的な緩和策が講じられない場合、2030年までにメタバースの炭素排出は世界全体の0.5％に達すると予測される。
• 現在のグリーン技術、例えばワークロード統合やデバイスエッジコンピューティングは、冷却需要の増加やサーバー負荷の不均衡といった、システム全体のエネルギートレードオフを無視していることがある。
• 炭素ユーティリティ（CU）指標により、炭素排出量当たりのサービス品質を定量的に評価でき、よりグリーンなユーザー行動に向けた的確な推奨を可能にする。
• レイテンシ、セキュリティ、コストといったパフォーマンス指標の共同最適化が、エネルギー効率の向上に伴うパフォーマンス低下を回避するために不可欠である。
• オンライン活動の炭素影響が物理世界の同等物と著しく異なることを踏まえ、ユーザー行動の評価・記録・誘導に、CUに基づく新たな規制メカニズムの導入が不可欠である。
• 将来的な取り組みは、コンponentレベルの最適化から、エンド・ツー・エンドでレイヤー統合された最適化へとシフトする必要がある。これにより、メタバース全体のエネルギー効率を最大化できる。