[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出了一套全面的框架，用于评估并减少元宇宙在基础设施、交互和经济三个层面的碳足迹。该框架引入了碳效用（Carbon Utility, CU），一种量化单位碳排放下服务品质的指标，并提出三个未来关键方向：性能指标的联合优化、端到端的层/组件集成，以及针对用户活动碳影响的新监管机制，旨在使元宇宙在2030年前实现能效优化并契合全球碳中和目标。

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.

研究动机与目标

• 分析元宇宙在其三大核心层——基础设施、交互和经济——中产生的碳排放。
• 识别并评估当前及新兴的绿色技术在降低元宇宙工作负载能耗与碳排放方面的有效性。
• 解决现有绿色技术局限于孤立组件或指标、而非系统级效率的局限性。
• 提出一种新的监管机制，用于追踪和管理虚拟世界中用户活动的碳足迹。
• 引入碳效用（CU）作为量化指标，以在元宇宙中平衡服务品质与碳效率。

提出的方法

• 本文对元宇宙的碳足迹进行分层分析，估算2022年至2030年期间在基础设施、交互和经济各层的碳排放。
• 评估现有绿色技术（如工作负载整合、设备-边缘协同、能效硬件）在元宇宙特定工作负载中的适用性。
• 作者提出碳效用（CU）指标，量化单位碳排放下的服务品质，支持不同用户活动之间的性能比较。
• 倡导采用端到端优化策略，综合考虑所有组件与层级，而非孤立改进。
• 该框架将延迟、安全性、成本等性能指标与能效相结合，以实现平衡的权衡。
• 提出一种新的监管机制，利用CU指标评估、记录并调控用户活动的碳影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 元宇宙的基础设施、交互和经济各层的主要碳排放来源是什么？到2030年其规模将如何变化？
• RQ2 当前绿色技术在降低元宇宙工作负载能耗与碳排放方面的有效性如何？其关键局限性是什么？
• RQ3 如何设计统一指标，以评估虚拟世界中多样化用户活动的碳效率？
• RQ4 为实现元宇宙所有层级与组件的整体能效，需要哪些系统性变革？
• RQ5 如何改革虚拟世界治理机制，基于碳影响对用户行为进行监管？

主要发现

• 若不采取有效缓解措施，到2030年，元宇宙的碳排放量预计将达到全球总排放量的近0.5%。
• 当前绿色技术（如工作负载整合与设备-边缘计算）常忽略系统级能效权衡，例如冷却需求增加或服务器负载失衡。
• 碳效用（CU）指标可量化单位碳排放下的服务品质，支持对更绿色用户活动的针对性建议。
• 联合优化延迟、安全性与成本等性能指标至关重要，以避免在提升能效时造成性能下降。
• 鉴于在线活动与物理世界等效行为相比碳影响差异显著，基于CU的新监管机制对于评估、记录并引导虚拟世界用户行为是必要的。
• 未来工作必须从组件级优化转向端到端、层级集成的优化，以最大化元宇宙整体能效。