スーパーコンピュータ、干ばつを生き抜けるか？

スーパーコンピュータ、干ばつを生き抜けるか？

水不足は、米国だけでなくこの頃は世界中で取り組む価値のある極めて重要な問題として表面化してきた。McKinsey主導の報告書は、2030年までに、世界の水需要は40％供給を上回ると予想されていることを示している。議会調査局（CRS）による別の最近の報告によると、米国の土地面積の70％以上は2012年8月の間、干ばつ状態を経験した。

それが2014年になると、その状態は米国の一部の州でさらに悪化した：3年間乾燥期間の後に、カリフォルニア州は州全体の干ばつ緊急事態を宣言した。この干ばつについてのNBCニュースの報告は、カリフォルニア州知事、Jerry Brownが言ったとして 「記録が約100年前に保管され始めて以来、おそらく最悪の干ばつをカリフォルニアが今知りました。」を引用する。拡張された干ばつや水不足の多くのそのような証拠は、世界的な危機と水の持続可能性を確保することにに取り組むための協調的なアプローチを疑いの余地無く必要としている。

スーパーコンピュータは、電気を大量に消費することで有名だが、あまり知られていない事実として、スーパーコンピュータもまた、非常に「のどが渇いて」、通常はスーパーコンピュータ施設の屋根の上に配置されている冷却塔によってサーバを冷却するために大量の水を消費することである。スーパーコンピュータセンターに詰め込んだ高密度サーバは空間および/またはコストを節約することができるが、それらはまた、大量の熱を発生させ、適切に熱が除去されていない場合、機器が損傷し、巨大な経済的損失を被る可能性がある。

高熱容量は、古いが未だ効率的な冷却機構の蒸発を通して環境中へサーバーの熱を廃棄するために水を理想的かつエネルギー効率的な媒体にする。AmazonのJames Hamiltonによると、15MWのデータセンターは一日あたり最大36万ガロン(1,363,000L)の水をがぶ飲みする可能性がある。ユタ州にある米国国家安全保障局（NSA）のデータセンターは、1万人以上の世帯の水需要を十二分に満足する一日あたり最大170万ガロンの水を必要とするようだ。

水の消費は、エネルギー消費に関連しているが、それらはまた互いに異なる：揮発性の外気温度、同量のサーバエネルギーに起因する時間的変化の水効率によるが、しかし異なる時間に消費されることもまた、冷却塔内での水の蒸発量が異なることに帰着するかも知れない。オンサイトの冷却塔に加えて、電気の膨大な消費は、電力生産に埋め込まれたオフサイトでの水の消費についての責任もまたスーパーコンピュータは負っている。実際のところ、電力生産は米国内のすべての分野の間で最大取水量による取引をしている。すべての取水量が消費もしくは蒸発により「失われた」わけではないが、たった1kWhの電気のための全国平均水消費量は、依然1.8L/kWhに達し、水力発電を除いてそれ自体が巨大な水の消費者である。

データセンターやスーパーコンピュータを運用するために必要な水の膨大な量への懸念のさなか、水の消費量の軽減に関心が高まってきた。例えば、FacebookとeBayが実行時に水効率(要するに水使用効率、もしくはWUE)を監視するためのダッシュボードを開発し、一方、GoogleとNCAR-Wyomingスーパーコンピューティングセンター(NWSC)は、外気冷却を用いたり、再循環水を使用したり等のような水効率的な冷却技術を開発している。これらのアプローチは、しかしながら、単に施設やインフラ整備を標的としており、それらは高い先行資本投資および/または適切な気候条件を必要とする。

なぜスーパーコンピュータは、実際に水の使用量を気にする必要があるのか？　そう、その理由の沢山ある。節水は、税額控除を受けて、年間光熱費の一部を抑えることがスーパーコンピュータだけの利点ではないだろうが、しかしまたスーパーコンピュータの持続可能性を改善し、多くの大規模なデータセンターやスーパーコンピュータが設置されてるカリフォルニアのような水の切迫した地域でますます頻繁に拡大する干ばつを生き抜くことも助ける。節水はまた、グリーン認証取得でスーパーコンピュータの利益になり、彼らの社会的責任も果たす事ができる。

スーパーコンピュータの水効率と節水の緊急性での徹底的な調査の不足によって動機付けされ、フロリダ国際大学の研究者グループは、データセンターやスーパーコンピュータの節水の分野を最近、ターゲットにしている。改善された「エンジニアリング」といくつかの限界(高い先行設備投資や適切な気候のような)に主な焦点を絞った現在の節水アプローチとは異なり、研究グループは、水効率の固有時空間変動を利用してスーパーコンピュータでの水消費量を軽減するためのソフトウェアベースのアプローチを考案する。このような水効率の時空間変動は、無償な私たちの母なる自然から来ている：揮発性の温度は、時間的変化の水効率に帰着するが、その一方で異なる場所間での異種型スーパーコンピュータシステムは、水効率の空間的変動を導く。

研究グループは、水効率の時空変動もまた、スーパーコンピュータのワークロードの柔軟性に完全に適合することを発見する：高い水効率の場所にワークロードを移動および/または水効率の良い時間にワークロードを延期する。そのアプローチの有効性は、広範囲な実験的研究を介して実証され、サービス遅延のような他の側面で殆ど妥協せずに20％の水消費量を低減している。有望な結果は、今のところ先行設備投資や施設のアップグレードを除いて、節水を通じてスーパーコンピュータの持続可能性を達成するプロセスでの遠大な変更を行うための第一歩をしるす。

干ばつ状態が続く水切迫地域のスーパーコンピュータを運用する場合、ソフトウェアベースアプローチは、あなたのは、施設のアップグレードにひとつのセント硬貨をかけずにスーパーコンピュータが干ばつを生き抜くのに役立つかも知れない。

著者について

Shaolei Renは、2012年にカリフォルニア大学ロサンゼルス校から博士号を取得し、現在、上記のような問題を対象とする研究チームで働くフロリダ国際大学の准教授である。彼の研究は、持続可能なコンピューティングに焦点を当てている。彼は、2013年からの我々の「SC Research Highlights」についての特集を選択するためなど、過去に持続可能なHPCデータセンターについて書いており、ここでそれを見つけることができる。