[论文解读] 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 4

一句话总结

TerraWatt 提出了一种基于地理分布的零碳计算基础设施，采用老旧硬件构建模块化的'SunDrop'机柜，由间歇性可再生能源供电。通过利用被弃用和负电价的可再生能源，跨区域动态调度工作负载，并设计可容忍间歇性供电和数据移动性的系统，该框架实现了可持续的低碳云计算，同时最大限度减少隐含能浪费。

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.

研究动机与目标

• 通过将被弃用和负电价的可再生能源再利用，解决可再生能源过剩的问题。
• 设计一种可扩展的、分布式的计算基础设施，可在间歇性可再生能源和旧硬件上可持续运行。
• 通过避免硬件淘汰和能源浪费，最小化云计算的碳足迹和隐含能足迹。
• 开发可容忍间歇性供电并支持跨区域工作负载迁移的系统与网络抽象机制。
• 为单个工作负载和用户实现细粒度的能源与碳排放核算。

提出的方法

• 在可再生能源丰富、地理位置分散的站点部署模块化、集装箱化的数据中心（SunDrops），并使用老旧硬件。
• 利用独立系统运营商（ISO，如 CAISO、MISO）提供的实时和预测电价，指导工作负载的部署与调度。
• 实施动态工作负载迁移与检查点机制，根据可再生能源可用性和电力波动，在 SunDrops 之间移动任务。
• 设计弹性、感知电力的网络（例如扩展 ElasticTree），根据可用电力动态扩展网络资源。
• 集成细粒度的能源与碳排放核算，以追踪每个任务和客户的隐含能与运行排放。
• 将 SunDrops 建设在高容量可再生能源发电区附近（例如风力发电场），以最大化获取机会电力。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅使用过剩的可再生能源和旧硬件构建大规模零碳云基础设施？
• RQ2 如何设计系统与网络抽象机制，以容忍间歇性供电并支持动态工作负载迁移？
• RQ3 哪些机制能够实现跨地理分布、间歇性供电的数据中心之间的高效工作负载调度？
• RQ4 如何在宏观和微观尺度上准确测量并报告碳足迹与隐含能足迹？
• RQ5 在多大程度上可以利用机会电力（被弃用或负电价的电力）可持续地为通用云工作负载供能？

主要发现

• 仅 CAISO 到 2025 年就可提供 22 TWh 的机会电力，足以支撑洛杉矶市的用电需求，表明存在巨大未开发资源。
• MISO 和 CAISO 的机会电力可连续提供长达 100 多小时，且在 MISO 中高达 99% 的时间存在，支持持续的工作负载运行。
• 在 CAISO 和 MISO 中，储存一小时机会电力的成本保守估计为 3500 万美元，凸显大规模储能的经济不可行性。
• SunDrops 可建在高产可再生能源站点附近——例如 MISO 风电场，其机会电力最高可达 250 MW——以最大化能源获取。
• 在 SunDrops 之间动态迁移工作负载，可使任务跟随可再生能源的可用性，减少对电网电力的依赖和碳排放。
• 该框架使用户能够指定可再生能源和碳排放目标（例如 ≥X% 可再生能源，≤Y kg CO₂e），这些目标因工作负载的灵活性和电力可用性而可实现。