Beschikbaarheid van groene energie bestuurt IT

De stroombehoefte van IT-infrastructuren groeit voortdurend en schaadt daarmee steeds meer het milieu. Om hun CO2-voetafdruk te verkleinen, worden IT-systemen daarom steeds vaker geïntegreerd in zogenaamde Microgrids, die directe toegang tot stroom uit hernieuwbare energiebronnen mogelijk maken. De lokale beschikbaarheid van zonne- en windenergie varieert echter sterk. Onderzoekers van het Berlin Institute for the Foundation of Learning and Data (BIFOLD) aan de TU Berlijn hebben hiervoor een nieuwe aanpak ontwikkeld voor IT-systemen, die flexibele werkbelastingen zoals trainingsopdrachten voor machinaal leren alleen toestaat wanneer deze uitsluitend met stroom uit hernieuwbare energiebronnen kunnen worden verwerkt. Hun publicatie "Cucumber: Renewable-Aware Admission Control for Delay-Tolerant Cloud and Edge Workloads" wordt gepresenteerd op Euro-Par 2022.

De vraag naar rekenkracht neemt niet alleen in de economie, maar ook in de wetenschap jaar na jaar toe en drijft het energieverbruik van gedistribueerde computersystemen en de daarmee samenhangende koolstofemissies verder omhoog. “Datacenters zijn al verantwoordelijk voor meer dan één procent van het wereldwijde energieverbruik, en het wordt verwacht dat dit cijfer nog verder zal stijgen – niet in de laatste plaats doordat het Internet of Things (IoT) en Edge- en Fog-Computing zich verder doorzetten,” legt BIFOLD Fellow Prof. Odej Kao uit, hoogleraar Distributed and Operating Systems aan de TU Berlijn. Een aanpak voor duurzamere en kostenbesparende cloud- en edge-computingsystemen is de directe uitrusting van de IT-infrastructuur met hernieuwbare energiebronnen zoals zon of wind. Echter, vooral kleinere datacenters kunnen niet altijd de volledige opgewekte stroom verbruiken, wat op bepaalde tijden leidt tot een overschot aan energie en op andere tijden tot een tekort aan hernieuwbare energie. Een probleem dat slechts gedeeltelijk kan worden opgelost door energieopslag of door het nivelleren van het verbruik binnen lokaal begrensde stroomnetten.

Flexibele werkbelastingen beter plannen

Flexibele werkbelastingen die enige vertraging in uitvoering tolereren, komen vaak voor in cloud-omgevingen, maar kunnen ook voorkomen in tijdkritische edge-computing-omgevingen. Zo moet bijvoorbeeld een geautomatiseerde, intelligente verkeersregeling voortdurend aanpassen aan nieuwe situaties door lokale machinaal leren-modellen iteratief te verbeteren op basis van nieuwe data. De exacte timing en omvang van dergelijke trainingsopdrachten zijn echter onderhevig aan een zekere flexibiliteit.

Om de overtollige hernieuwbare energie aan rekenknooppunten effectiever te benutten en zo de CO2-uitstoot en stroomkosten te verlagen, stellen de wetenschappers van BIFOLD een nieuwe aanpak voor: Flexibele werkbelastingen, zoals bijvoorbeeld trainingsopdrachten, kunnen door het computersysteem worden geweigerd wanneer niet voldoende energie uit hernieuwbare bronnen beschikbaar is. Hun systeem voorspelt de vrije capaciteit van een computersysteem evenals het verwachte energieverbruik en de energieproductie. Zo kan worden vastgesteld of aanvullende opdrachten in de wachtrij van het computersysteem kunnen worden opgenomen zonder energie uit het openbare elektriciteitsnet te verbruiken. Met behulp van probabilistische voorspellingen kan het systeem individueel worden geconfigureerd: ofwel worden alleen rekenbelastingen geaccepteerd die vrijwel gegarandeerd op groene energie draaien, ofwel wordt een potentieel gebruik van netstroom niet volledig uitgesloten, wanneer daardoor meer taken kunnen worden verwerkt. “De toenemende inzet van hernieuwbare energie vereist flexibiliteit in het stroomverbruik, wat in sterk gedistribueerde en heterogene systemen moeilijk te coördineren is,” aldus Philipp Wiesner, promovendus aan de TU Berlijn. “Wij zien onze aanpak als een integraal bouwsteen van een decentraal gegevensverwerkingssysteem dat het gebruik van hernieuwbare energie door lokale beslissingen optimaliseert.”

Publicatie:
Philipp Wiesner, Dominik Scheinert, Thorsten Wittkopp, Lauritz Thamsen, Odej Kao, Proceedings of the 28th International European Conference on Parallel and Distributed Computing (Euro-Par): “Cucumber: Renewable-Aware Admission Control for Delay-Tolerant Cloud and Edge Workloads”.
https://arxiv.org/pdf/2205.02895.pdf

Voor meer informatie kunt u contact met ons opnemen:
Philipp Wiesner
TU Berlijn
Fachgebiet Distributed and Operating Systems (DOS)
Tel.: 0049 (0)30 314-26260
E-mail: wiesner@tu-berlin.de