[论文解读] Chasing Carbon: The Elusive Environmental Footprint of Computing

Udit Gupta, Young Geun Kim+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2020

Green IT and Sustainability被引用 6

一句话总结

本文通过区分运营（opex）与制造（capex）碳排放，量化了计算技术的环境影响，揭示出硬件制造如今已成为现代移动设备与数据中心系统碳足迹的主导因素。尽管能效提升和可再生能源使用有所进展，但因人工智能与移动工作负载对硬件需求增加，capex相关排放仍在上升，促使研究人员在系统架构与电路设计中优先将碳足迹作为首要设计指标。

ABSTRACT

Given recent algorithm, software, and hardware innovation, computing has enabled a plethora of new applications. As computing becomes increasingly ubiquitous, however, so does its environmental impact. This paper brings the issue to the attention of computer-systems researchers. Our analysis, built on industry-reported characterization, quantifies the environmental effects of computing in terms of carbon emissions. Broadly, carbon emissions have two sources: operational energy consumption, and hardware manufacturing and infrastructure. Although carbon emissions from the former are decreasing thanks to algorithmic, software, and hardware innovations that boost performance and power efficiency, the overall carbon footprint of computer systems continues to grow. This work quantifies the carbon output of computer systems to show that most emissions related to modern mobile and data-center equipment come from hardware manufacturing and infrastructure. We therefore outline future directions for minimizing the environmental impact of computing systems.

研究动机与目标

• 量化现代计算系统的环境影响，特别是从运营排放转向制造相关排放的转变。
• 强调若不解决制造排放问题，仅靠能效提升与可再生能源采用无法有效降低整体碳足迹。
• 倡导将碳足迹作为计算机系统研究中与性能和能效并列的一阶优化目标。
• 通过架构、电路与半导体创新，指导未来研究以最小化capex相关排放。
• 推动标准化碳核算与跨学科协作，以实现可持续系统设计。

提出的方法

• 作者分析了2008至2019年间Facebook Prineville数据中心的能耗与碳排放数据，以及iPhone系列（3GS至11）的行业报告数据。
• 基于生命周期评估原则，将碳排放分解为opex（运营能耗）与capex（硬件制造与基础设施）两部分。
• 利用Facebook可再生能源转型的真实数据，证明通过绿色能源可将运营碳排放降至接近零。
• 通过对比移动设备与数据中心的排放趋势，揭示capex排放随时间推移的主导地位日益增强。
• 提出一个评估系统设计各层次（从电路到系统架构）碳影响的框架。
• 倡导将碳足迹纳入设计指标，并提出在低功耗电路与可持续制造工艺方面开展协同设计的研究方向。

实验结果

研究问题

• RQ1 2008至2019年间，移动设备的碳足迹如何演变？其中制造与运营使用分别占多大比例？
• RQ2 可再生能源在多大程度上可减少数据中心的运营碳排放？此类缓解措施之后仍剩余多少？
• RQ3 为何现代计算系统的碳足迹正日益由硬件制造而非能源使用主导？
• RQ4 未来计算机系统中，可采用哪些设计与研究策略以最小化capex相关碳排放？
• RQ5 如何将碳足迹作为计算机体系结构与电路设计中的一阶优化指标？

主要发现

• 2009至2019年间，iPhone的碳足迹中，运营相关排放占比从60%下降至30%，而制造相关排放占比升至70%，表明制造排放主导趋势日益显著。
• Facebook Prineville数据中心通过采购可再生能源，到2019年已将运营碳排放降至接近零，尽管其能耗增长了4倍。
• 在可再生能源采用后，Facebook剩余超过80%的碳排放仍为capex相关，主要来自硬件制造与基础设施。
• 如今，硬件制造已成为现代移动设备与数据中心系统碳排放的主要来源，即使运营能效持续提升。
• 未来系统设计必须通过架构与电路级创新（如资源调配、专用化设计与更长硬件寿命）优先应对capex相关排放。
• 研究表明，仅优化能效不足以解决问题；碳足迹必须与性能和能效并列，作为一阶设计指标。