[论文解读] Frugal Computing -- On the need for low-carbon and sustainable computing and the path towards zero-carbon computing

Wim Vanderbauwhede|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2023

ICT in Developing Communities被引用 4

一句话总结

本文提出‘节俭计算’——一种范式转变，通过显著延长设备使用寿命并在计算堆栈的所有层级优化效率，大幅减少计算中的能源和材料消耗。文章指出，若不在能源效率和硬件寿命方面实现根本性改进，到2040年计算排放将超过1.5°C气候目标，因此节俭计算对于可持续的数字化转型至关重要。

ABSTRACT

The current emissions from computing are almost 4% of the world total. This is already more than emissions from the airline industry and are projected to rise steeply over the next two decades. By 2040 emissions from computing alone will account for more than half of the emissions budget to keep global warming below 1.5$^\circ$C. Consequently, this growth in computing emissions is unsustainable. The emissions from production of computing devices exceed the emissions from operating them, so even if devices are more energy efficient producing more of them will make the emissions problem worse. Therefore we must extend the useful life of our computing devices. As a society we need to start treating computational resources as finite and precious, to be utilised only when necessary, and as effectively as possible. We need frugal computing: achieving our aims with less energy and material.

研究动机与目标

• 应对计算排放的不可持续增长，预计到2040年将超过1.5°C全球碳预算的50%。
• 反驳仅靠能效提升即可抵消需求增长的误解，强调生产阶段的排放如今已超过运行阶段的排放。
• 将计算资源重新定义为有限且宝贵的资源，呼吁社会将其视为稀缺而非丰富。
• 提出向‘节俭计算’系统性转变——通过优化设计和延长设备生命周期，在更少的能源和材料消耗下实现更多功能。
• 推动计算科学、产业和政策发生变革，将能效和可持续性作为核心设计原则优先考虑。

提出的方法

• 将计算资源定义为涵盖从终端设备到网络和数据中心的整个堆栈中的所有能源和材料投入。
• 倡导延长设备使用寿命作为核心策略，认为更长的硬件生命周期比渐进式能效提升更能有效减少总排放。
• 提出‘节俭计算’作为一种设计哲学，专注于在整个计算系统生命周期中最小化能源和材料使用。
• 建议在计算系统的各个层级（包括编译器、编程语言和操作系统）整合能源和碳成本意识。
• 强调利用系统遥测数据进行数据驱动的优化，以实现对退化敏感的操作、预测性维护和能效感知调度。
• 强调人机交互（HCI）在引导用户采取节能行为、延长设备寿命方面的重要性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何重新设计计算系统，以最小化其整个生命周期中的总能源和材料消耗，尤其是在生产排放如今已超过运行排放的背景下？
• RQ2 在软件工程、硬件设计和商业模式方面需要哪些系统性变革，才能将计算设备的使用寿命延长至当前水平以上？
• RQ3 软件、编译器和系统架构中的能效改进在多大程度上可以弥补计算需求的预期增长？
• RQ4 如何通过界面设计和反馈机制影响用户行为，以减少数字活动的碳足迹？
• RQ5 形式化方法（如能效感知的编程语言和编译器）在最小化所有系统组件的能耗方面发挥什么作用？

主要发现

• 目前计算已占全球碳排放近4%——超过航空业——若当前趋势持续，到2040年将超过1.5°C碳预算的50%。
• 计算设备的生产阶段产生的排放多于其运行阶段，因此设备寿命延长比渐进式能效提升对减排更具影响力。
• 由于物理缩放限制，摩尔定律实际上已结束，性能每瓦提升速度放缓，导致能效提升不足以抵消需求增长。
• 仅靠市场机制无法阻止能源需求上升；若缺乏主动的系统级优化，计算能源消耗将不受控制地增长。
• 通过更好的软件支持、维修基础设施和长期备件供应延长设备寿命，对减排和实现零碳计算至关重要。
• 通过持续提升能效、延长设备生命周期和系统感知设计，实现零碳计算的愿景是可行的——即性能提升而不带来相应的能源成本增加。