[论文解读] Measuring IT Carbon Footprint: What is the Current Status Actually?

Tom Kennes|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2023

Green IT and SustainabilityEngineering被引用 3

一句话总结

本文将测量信息技术碳足迹的关键挑战归纳为四个领域：软件能耗、服务器开销、能源结构和隐含碳。它提出了一种基于CPU的实用数学框架，用于快速进行碳评估，并呼吁采用标准化的自下而上的测量工具，以赋能开发人员并提升可持续软件工程的透明度。

ABSTRACT

Despite the new Corporate Sustainability Reporting Directive from the European Union, which presses large enterprises to be more transparent about their GHG emissions, and though large technology- or advisory firms might peddle otherwise, there are plenty of challenges ahead when it comes to measuring GHG emissions from IT activities in the first place. This paper categories those challenges into 4 categories, and explains the current status, shortcomings and potential future research directions. These categories are: measuring software energy consumption, server overhead energy consumption, Energy Mix and emissions from embodied carbon. Next to that, various non-profit and open-source initiatives are introduced as well as a mathematical framework, based on CPU consumption, that can act as a rule-of-thumb for quick and effortless assessments.

研究动机与目标

• 解决在监管和行业压力日益增加的背景下，IT碳排放准确、自下而上的测量仍存在关键空白的问题。
• 识别并分类测量软件和基础设施碳足迹的主要挑战，划分为四个独立领域。
• 提出一种基于CPU利用率的实用、经验法则数学框架，用于快速、便捷地进行碳评估。
• 推动开源项目、实践者与可持续软件工程学术研究之间的协同。
• 倡导采用可操作的、细粒度的测量工具，使开发人员和IT团队能够更有效地减少排放。

提出的方法

• 将IT碳足迹测量划分为四个核心组成部分：软件能耗（Es）、服务器开销（Eo）、瞬时能源结构（I）和隐含碳（M）。
• 提出一个简化的数学模型：总碳排放 = ((Es + Eo) × I) + M，与绿色软件基金会的SCI规范一致，但强调软件与开销的分离。
• 引入一种基于CPU利用率的经验法则框架，用于在无需复杂仪器的情况下估算能耗和排放。
• 使用时间依赖的消耗因子（f_c(τ, o_i)）分析资源共享动态，以建模多租户环境。
• 应用生命周期评估（LCA）原则估算硬件的隐含碳排放（M），包括M_o_i、R_o_i、EoL_o_i和T_o_i等因子。
• 强调在隐含碳核算中，范围定义和空闲时间归属的重要性，尤其是在资源利用率低下的基础设施中。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在大规模范围内准确且实用地测量软件能耗，特别是不依赖物理功率计时？
• RQ2 动态资源共享对多租户IT环境中能耗和碳核算有何影响？
• RQ3 隐含碳排放应如何随时间分配，特别是在空闲使用期间？
• RQ4 在碳核算中，应依据何种标准确定硬件和基础设施的涵盖范围？
• RQ5 在IT资产处于空闲或低利用率期间，谁应对隐含碳排放负责？

主要发现

• 目前IT碳足迹测量状态仍极不一致，自上而下的估算缺乏在开发人员或系统层面进行可操作决策所需的粒度。
• 物理功率监测和基于仿真的模型是测量软件能耗最准确的方法，但两者均面临可扩展性和可访问性挑战。
• 基于CPU的经验法则框架可作为实用的、低开销的碳排放估算方法，使无需深度仪器化的快速评估成为可能。
• 动态资源共享显著增加了碳核算的复杂性，需要详细的时间和用户特定的跟踪，尽管在预留或可预测环境中可能实现。
• 目前尚无关于如何随时间分配隐含碳排放的共识，特别是在空闲期间，这导致报告中存在重大争议和不一致。
• 尽管绿色软件基金会的SCI等倡议日益受到关注，但广泛采用仍受阻于缺乏标准化、详细的底层碳测量组件方法论。