テンソル認識型エネルギー計測（Tensor-Aware Energy Accounting）
拓海先生、お時間いただきありがとうございます。最近、部下から「AIの電力効率を見ないとまずい」と言われて焦っているのですが、そもそも何をどう測ればいいのか見当がつきません。要点を教えていただけますか。
素晴らしい着眼点ですね！大丈夫、要点は三つです。まず何を測るか、次に測り方、最後に測った結果をどう使うかです。今回の論文は、その「何を」と「どう分解して理解するか」をはっきりさせる仕組みを示しているんですよ。
なるほど。現場では電力量計やサーバの総消費電力は測れるのですが、それがモデルのどの処理で食われているかは分かりません。それを分解してくれるという理解でよいですか。
その通りです。論文では “tensor-aware”、つまりテンソルを単位にしてエネルギーを会計する手法を提示しています。テンソルはAIモデル内の行列や多次元配列のことで、処理単位をロジカルに切れるので、どのレイヤや演算がエネルギーを多く消費しているかが分かるんです。
これって要するに、モデルの内部構造に合わせて「誰がどれだけ電気を使ったか」を明確にする会計報告書を作る、ということですか？
まさにその通りですよ。白箱（white-box）アプローチで、プログラム内部の構造を使って消費を割り振ります。これにより、例えば大規模言語モデルのある層や行列積（MatMul）が多く消費しているといった具体的な改善ターゲットが見える化できます。
導入コストや運用負荷が気になります。うちの現場はクラウドに抵抗感がある人が多いのですが、現実的に扱えますか。投資対効果がすぐ分かると導入判断がしやすいのですが。
安心してください。論文の実装はTensorFlow上で動く独立プロセスとして設計しており、既存の実行環境に大きな改修を要求しません。導入効果は三つの指標で示せます。消費電力量の削減ポテンシャル、推論／学習あたりのコスト削減、そして改善対象を限定できることで得られる実務的効率化です。
なるほど。現場に説明するには具体例があると助かります。BERTというモデルのどの部分が電気を食うのか、本当に分かるのですか。
はい。論文ではBERTの層ごと、さらには個々のテンソル（例えばMatMulなどの演算単位）ごとにエネルギー消費を集計し、どの要素がボトルネックかを特定しています。そのため、最も効果的に省エネ化できる改修点を特定できるのです。
分かりました。最後に要点を整理していただけますか。私が取締役会で説明できるように三点に絞ってください。
素晴らしい着眼点ですね！一つ目、テンソル単位での会計により改善対象が特定できる。二つ目、既存のTensorFlow環境に比較的容易に組み込める。三つ目、具体的な消費数値が出るため投資対効果の算定が可能である。大丈夫、一緒に進めれば必ずできますよ。
分かりました。まとめます。テンソルを単位にしてどの演算が電力を使っているか分解でき、既存環境に差し込みやすく、数値に基づいた投資判断が可能ということですね。これなら部長たちにも説明できます。ありがとうございます、拓海先生。
1.概要と位置づけ
結論から述べる。本研究は、深層学習（Deep Learning、DL）の実行に伴うエネルギー消費をモデル構造の粒度で可視化し、改善のターゲットを明確化する点で従来を一段と進めた。特にテンソル（tensor）単位でのエネルギー会計を行うことで、どの層（layer）や演算（例えば行列積、MatMul）が消費の主要因であるかを定量的に示せる点が最大の貢献である。これにより、単にデータセンター全体の消費を削るのではなく、モデル内部のホットスポットに絞った実務的な省エネ対策が可能となる。
技術的には、論文はTensorFlow実装の白箱（white-box）手法を採り、プログラム内部の論理構造に沿ったエネルギー割当てを行う方法を示している。白箱とは内部動作を利用するアプローチであり、ブラックボックス測定のように外部から全体を一律に見る手法と異なり、改善アクションへ直結しやすい情報を生成する。企業としては、投資対効果（ROI）を見極めやすい点が非常に重要である。
本研究は大規模言語モデル（Large Language Model、LLM）やBERTなどを分析対象にしており、実務的な関心事である推論（inference）や学習（training）当たりの電力量を、モデル構造にマッピングしている。結果として得られるのは単なる総和値ではなく、階層化された消費内訳である。これにより、改良の優先順位を数値的根拠とともに説明できる。
経営判断の観点では、エネルギー効率はコスト効率と企業のサステナビリティ（持続可能性）という二重の価値を持つ。したがって、モデル改善の投資は単なる技術的最適化に留まらず、設備投資や運用コストの削減、さらにESG（Environment, Social, Governance）対応としての企業価値向上にも寄与する可能性がある。本稿はその判断材料を提供する。
最後に位置づけを整理する。本研究は、AI運用における「どこを改善すれば効率化が得られるか」を明示する計測フレームワークを提示する点で実務適用性が高い。従来のインフラ側の消費監視に対し、ソフトウェア内部の構造を基準にした電力会計を可能にした点が最大の革新である。
2.先行研究との差別化ポイント
先行研究には、データセンター全体やホスト単位での消費測定、あるいはブラックボックス的に実行時の消費を計測する手法が存在する。これらは実際の運用に有用だが、消費の原因がどのコードや演算に由来するかを特定することは難しい。対して本研究はプログラム構造を用いることで、消費の原因を論理単位に帰属させる点で差別化している。
具体的には、テンソルというモデル内の基本単位を使ってエネルギーを割り振る点が新しい。テンソルは行列や多次元配列として実装され、ほとんどの深層学習演算はテンソルを介して行われるため、ここに着目することで内部振る舞いを細かく追える。これにより、たとえば同じMatMul演算でもどの層にあるものが最も電力を消費しているかが分かる。
また、論文は集約のための概念（Summarized Tensor Energy Footprint、STEF）を定義し、階層的にまとめる方法を示している。これにより、現場でよく使う「層ごと」「ブロックごと」「モデル全体」といった異なる粒度のレポートを一貫した手法で生成できる。従来手法は粒度調整で整合性を欠くことがあったが、本手法は論理構造に基づく一貫性を保つ。
最後に実装上の差別化がある。監視部分を実行プロセスとは切り離して独立プロセスとして実装する設計は、既存システムへの影響を小さくし、段階的導入を可能にする。この点は実運用での採用を考える際の現場ハードルを下げる重要な工夫である。
3.中核となる技術的要素
中核は三つの要素である。第一にテンソル単位のイベント検出とトレースであり、実行時にどのテンソルがどの演算を発生させたかを記録する。第二にエネルギー割当の計算式であり、各テンソルの実行時間やハードウェアメトリクスを組み合わせて消費電力量を推定する。第三に階層化と集約のためのデータモデルである。これらを組み合わせることで、細粒度な計測と上位粒度への整合的な集約が実現される。
技術的に重要なのは、単にイベントを取るだけでなくそれを論理階層にマッピングする点である。モデルは層（layer）、ブロック（block）、トランスフォーマー（transformer）といった階層構造を持つため、テンソル名に階層情報を付与して集約規則を定義することで、後段の解析が容易になる。論文はそのための命名と変換ルールを定義している。
計算面では、消費はエネルギー（ENERGY）とパワー（POWER）の両面で扱われる。エネルギーは時間積分された消費量、パワーは瞬時の消費率である。これらをテンソル単位で推定するために、ハードウェアメトリクス（CPU/GPUの使用率、クロック、温度など）と演算プロファイルを組み合わせる。実装はTensorFlowフレームワークとの親和性を重視している。
最後に、設計上の要点としてデカップリング（監視を別プロセスにすること）が挙げられる。これにより、測定が本来の処理性能に与える影響を最小化できる。一方で独立性の確保はデータ同期やタイムスタンプの整合性を維持する必要があり、これが実装の複雑さの源泉となる。
4.有効性の検証方法と成果
検証は広く用いられるBERTモデルを対象に行われ、層ごと・テンソルごとのエネルギー配分が報告されている。実験では各テンソルのエネルギー値を集計し、どのテンソル名が高い寄与を持つかを明示することで、改善の優先順位を数値的に提示した。結果として、総消費の中で特定の層やMatMulのような演算が相対的に大きな割合を占めることが確認された。
これにより得られる示唆は実務的だ。例えば、ある層の行列サイズを変更する、量子化や低精度算術を導入する、あるいはバッチ処理の設計を見直すといった施策がどの程度の削減効果を持つかを推定できる。論文ではこれらの改善案を実際に実施して削減効果を評価するかたちで、有効性を示している。
評価指標は単純な消費量だけでなく、推論当たりのエネルギー、学習当たりのエネルギー、そして時間当たりの性能を組み合わせている。これにより、単なる省エネがサービス品質を犠牲にしていないかを見極めることが可能である。現場ではこのバランスが判断の要点となる。
一方で実験は主に研究環境やベンチマークモデルで行われており、企業の多様な運用環境にそのまま適用できるかは検討が必要である。モデルやハードウェア、ワークロードに応じたカスタマイズが実務導入の際には求められる。
5.研究を巡る議論と課題
まず精度の問題がある。テンソル単位でのエネルギー推定は、ハードウェアメトリクスと演算プロファイルの組合せに依存するため、測定誤差や外乱の影響を受けやすい。特に共有リソースが多いクラウド環境では、他プロセスの影響を取り除く手法が必要である。これが実運用での課題の一つだ。
次にプライバシーやセキュリティの観点がある。詳細な実行ログやテンソル名はモデル設計やデータに関する情報を含むため、外部に流出すると競争上の不利を招く可能性がある。従って企業導入時にはログ管理やアクセス制御が重要となる。
また、ハードウェア多様性の問題がある。GPUの世代やベンダ、さらには専用アクセラレータの存在によって消費特性は大きく変わるため、汎用的な推定式の適用には限界がある。実運用では機種別のキャリブレーションやプロファイル収集が現実的な対応策となる。
最後に運用面の課題である。得られたデータを現場の改善につなげるには、ソフトウェア側の改修力や運用フローの整備が欠かせない。単に測定するだけでなく、改善の実行と効果検証のサイクルを組織内に定着させる必要がある。
6.今後の調査・学習の方向性
今後は実環境での適用とスケールアップが重要である。研究は主にベンチマークと限定的な環境で行われているため、実運用におけるノイズや多様なハードウェアへの対応、運用フローとの統合が次の課題である。特にクラウドとオンプレミス混在環境での整合性をどう保つかが鍵となる。
アルゴリズム的には、より精緻な消費推定モデルの構築が望まれる。例えばソフトエラーやメモリ帯域の影響を組み込むことで推定精度を高め、少ないプロファイリングで正確な推定ができる手法が求められる。また自動化されたキャリブレーション手順も有用である。
運用面では、改善の優先順位を自動的に提示するダッシュボードや、効果検証を容易にするA/Bテストの仕組みが実装されると実務利用が加速する。さらに投資対効果を定量化して経営層に提示するテンプレートの整備も必要だ。
最後に学習資源としては、エンジニア向けの実装ガイドと経営層向けの要約資料が並行して整備されることが望ましい。技術の理解を深めると同時に、経営判断に直結する形式で情報を提供することが実務普及の鍵である。
検索に使える英語キーワード
Tensor-Aware Energy Accounting, Smaragdine, Tensor Energy Footprint, Summarized Tensor Energy Footprint, energy profiling for deep learning, TensorFlow energy accounting, model-level energy attribution
会議で使えるフレーズ集
「この手法はモデル内部のテンソル単位で消費を可視化し、改善の優先度を数値で示せます。」
「既存のTensorFlow環境に差し込みやすい独立プロセス設計なので段階的導入が可能です。」
「投資対効果は、推論当たりのエネルギー削減と運用コストの低減で示せますので、具体的な見積りを用意します。」
T. Babakol and Y. D. Liu, “Tensor-Aware Energy Accounting,” arXiv preprint arXiv:2311.11424v1, 2023.
