Innover pour l'avenir que vous n'avez jamais vu : architecture de systèmes distribués et réseau

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Astrid Atkinson discute de l'apport de l'innovation logicielle à l'infrastructure et de l'expérience acquise en matière d'innovation en matière de fiabilité dans les grandes technologies pour transformer notre système énergétique et décarboner le réseau.

Astrid Atkinson est PDG et cofondatrice de Camus Energy, une entreprise dédiée à la décarbonisation du réseau en utilisant une approche centrée sur les logiciels et une expérience approfondie des systèmes distribués. Elle a précédemment dirigé des équipes de logiciels et de systèmes chez Google, où elle a été l'un des premiers dirigeants de l'équipe d'ingénierie de la fiabilité du site, et a ensuite dirigé des équipes d'infrastructure dans le cloud, la recherche et l'infrastructure produit.

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Atkinson : Je suis Astrid Atkinson. Je vais parler de l'application de la technologie à ce qui est, à mon avis, le plus grand problème de notre génération et du monde tel qu'il se présente aujourd'hui. Certains d'entre vous ont peut-être entendu parler du changement climatique. Il devient de plus en plus populaire dans les nouvelles. Je pense qu'au cours des 5 ou 10 dernières années, nous avons vraiment vu une transition d'une conception générale du changement climatique d'un problème qui pourrait potentiellement affecter nos petits-enfants dans peut-être 50 ou 100 ans à un problème qui affecte immédiatement nos grands-parents, ce qui se passe aujourd'hui. Provoquant des impacts de plus en plus dramatiques sur la vie de tous les jours. C'est évidemment un très gros problème. Je parle beaucoup avec des gens qui cherchent à déterminer comment orienter leur carrière et leur travail pour tenter de résoudre ce problème. Je parle aussi beaucoup avec des gens qui ont à peu près déjà abandonné. Je pense que c'est facile quand on regarde un problème de cette ampleur, et sur lequel on n'est clairement pas encore tout à fait sur la bonne voie, d'y jeter un coup d'œil, de secouer la tête et de se dire, c'est peut-être déjà trop tard. Peut-être que le changement est déjà enclenché. Dans mon esprit, il y a essentiellement deux avenirs devant nous. Dans l'un d'eux, nous réussissons. Nous faisons le travail. Nous déterminons ce qui est nécessaire. C'est la technologie. C'est politique. C'est de la politique. C'est des gens. Nous avons investi dans la technologie, la politique, la politique et l'investissement économique nécessaires pour infléchir efficacement la courbe du changement climatique et maintenir notre réchauffement à environ 2 degrés, ce qui est une limite généralement convenue pour une planète habitable.

Notre avenir n'est peut-être pas le même que notre passé, mais pas substantiellement pire, c'est un monde reconnaissable. Je peux passer du temps avec mes petits-enfants, peut-être même aller skier. La plupart du monde continue avec quelque chose qui ressemble à la vie d'aujourd'hui. Dans l'autre version du futur, nous ne faisons pas cela. Nous cessons d'agir. Nous ne parvenons pas à faire mieux que ce que nous faisons actuellement. Nous disons que le changement de politique qui est en place sera suffisant. Nous continuons à vivre comme d'habitude, et nous obtenons les 3 à 4 degrés ou plus de changement qui sont verrouillés pour les plans tels qu'ils sont aujourd'hui. C'est potentiellement catastrophique. Nous n'arrivons pas nécessairement à conserver la civilisation que nous avons dans ce modèle. Peut-être que certains d'entre nous le font, mais certainement pas nous tous, et ça n'a pas l'air génial. Quand j'y pense, personnellement, je préfère passer toute ma vie et toute ma carrière à travailler pour la première version du futur. Parce que si nous ne choisissons pas de le faire, le second est inévitable. C'est là où je me tiens. C'est pourquoi je suis ici devant vous pour parler de l'utilisation d'applications technologiques et de l'utilisation de talents technologiques pour tenter de résoudre ce problème existentiel.

Quand on pense à la décarbonation, environ 60 %, environ les deux tiers du problème, c'est notre système énergétique. Les 30 % restants sont des choses comme l'utilisation des terres, l'utilisation industrielle, ce genre de choses. Ceux-ci sont importants aussi. L'énergie est un très bon point sur lequel se concentrer, car c'est un très gros problème. La version très simplifiée en 2 étapes de la façon dont nous décarbonons notre système énergétique est l'étape 1, nous électrifions tout, afin que nous puissions utiliser des sources d'énergie propres et efficaces. Étape 2, nous décarbonons le réseau, qui est notre système de distribution d'électricité. Maintenant, nous avons deux problèmes. Parler du changement qui va être nécessaire très rapidement. Il s'agit d'une vision plus ancienne de l'énergie circulant uniquement dans les systèmes énergétiques des États-Unis. Vous pouvez voir que nous avons de l'énergie provenant d'un certain nombre de sources propres. D'une manière générale, tout ce qui est actuellement une source fossile doit se déplacer dans cette boîte orange là-haut. C'est un changement assez important.

Quelle que soit la version de la façon dont cela se passe, la grille doit faire beaucoup plus de travail. Nous devons distribuer beaucoup plus d'énergie. Il existe également de nombreuses versions de cela où il y a beaucoup plus de génération déconnectée et ainsi de suite. Juste pour mettre un cadre autour de ce problème. J'utilise deux ensembles de chiffres sur cette diapositive. L'un provient du plan Net Zero d'ici 2050 de l'Agence internationale de l'énergie, qui est en fait un plan international officiel. Une chose à noter dans ce plan 2050 est qu'enfouie dans les détails se trouve la note surprenante selon laquelle les pays industrialisés, les États-Unis, le Royaume-Uni, l'Australie, l'Europe occidentale, sont censés être entièrement décarbonés d'ici 2035. Je ne suis pas sûr que ce soit tout à fait sur le radar de quiconque dans la mesure où il doit l'être aujourd'hui. L'autre ensemble de chiffres ici provient d'une étude du NREL sur ce qu'il faudrait pour décarboner notre système électrique, et donc notre système énergétique d'ici 2035, en ne regardant que les États-Unis. Bien sûr, c'est un problème national, mais ces chiffres sont bien contenus et liés de cette façon.

Ils ont plusieurs scénarios dans cette vision de ce à quoi pourrait ressembler l'avenir, allant du nucléaire élevé aux toutes nouvelles technologies. Quelle que soit la version de cet ensemble de solutions, nous avons besoin de beaucoup plus d'énergies renouvelables. Nous avons potentiellement besoin de quelques technologies de charge de base nouvelles ou étendues. Nous avons besoin de beaucoup de charge pour être flexible. Nous avons besoin de beaucoup d'interconnexions entre les endroits où la production peut avoir lieu et les endroits où l'énergie est produite. C'est ce dernier qui est en fait très délicat, car toute version de ce plan repose sur une augmentation de 2 à 5 fois de la capacité de notre réseau de transmission existant. Je parlerai un peu du réseau de transmission et du réseau de distribution dans un instant. Vous pouvez effectivement considérer le réseau de transmission comme l'épine dorsale Internet du réseau. Ce sont les grands câbles longue distance qui se connectent sur de très longues distances. En général, il est principalement responsable du transport de l'énergie des endroits où elle est générée à partir de grands générateurs vers les régions locales. Je parlerai un peu des différentes parties du réseau dans un instant. Toute version de ceci nécessite une très grande extension de cette capacité. C'est un très gros problème, car il faut généralement 5, 10, 15, 30 ans pour construire une nouvelle ligne. C'est un gros bloqueur caché dans un tel plan de transition. Cela rend le rôle du réseau tel qu'il existe aujourd'hui, de plus en plus important.

Maintenant, aussi, toute version de ce plan implique de rassembler un grand nombre de types de technologies différents. Il existe plusieurs types de technologies de génération. Il y a du solaire. Il y a du vent. Il y a l'hydroélectricité, le nucléaire, la géothermie, la biomasse. Il existe également de nombreuses technologies côté demande, et toute brève rencontre avec les technologies de grille vous en montrera une tonne. En général, toutes ces technologies côté demande, allant des pompes à chaleur internes contrôlables aux chargeurs de véhicules électriques, en passant par les batteries, relèvent de la rubrique générale des ressources énergétiques distribuées. Tout ce que cela signifie vraiment, ce sont simplement les ressources énergétiques qui se trouvent dans votre maison ou votre entreprise. Ils sont aux bords de la grille. Ils sont situés très près d'une partie du tissu de la demande du réseau. Il y a quelque chose qui prend de plus en plus d'importance dans le réseau d'aujourd'hui et qui sera la pierre angulaire du réseau de demain. Parce que le réseau doit faire un travail légèrement différent de ce qu'il fait aujourd'hui. Le réseau d'aujourd'hui est essentiellement responsable de la livraison de l'énergie des endroits éloignés où il est produit aux endroits où il est utilisé, doit toujours être complètement équilibré en temps réel pour l'offre et la demande. Le réseau du futur, tout cela est vrai, mais nous devons également l'utiliser pour équilibrer et déplacer l'énergie au fil du temps. Nous devons être en mesure d'obtenir de l'énergie du moment et de l'endroit où elle est produite jusqu'au moment et à l'endroit où elle est nécessaire. Cela signifie déplacer l'offre et la demande. Cela signifie stockage. C'est aussi gérer. Je vais parler de ce à quoi ressemblent les applications technologiques autour de cela.

Le gros problème dans tout cela est que la technologie dans le paysage de la grille est assez obsolète. Il y a plusieurs raisons à cela. La première est que lorsque vous êtes responsable de maintenir les choses en marche, de garder les lumières allumées, comme beaucoup de gens en ont l'expérience, il y a un conservatisme inné à cela. Vous ne voulez pas vous embêter avec ça. Une autre est simplement qu'il s'agit d'un héritage vertical lent avec beaucoup d'argent et beaucoup de pression. Pour diverses raisons, beaucoup d'entre elles étant comme le conservatisme autour de choses comme la cybersécurité, presque toutes les technologies de grille sont aujourd'hui sur site. Cela signifie qu'ils n'ont pas accès à l'échelle de calcul dont vous auriez besoin pour gérer les données en temps réel de la grille. Ils pensent que les données provenant du réseau à partir de quelque chose comme une lecture de 15 minutes sur un compteur intelligent, c'est beaucoup. Tout le monde sait que ce n'est vraiment pas le cas. Ce sont peut-être des données moyennes, au mieux. Ce n'est vraiment pas une grande quantité de données selon les normes des systèmes distribués. Si vous travaillez sur site avec un seul ordinateur, il y en a beaucoup.

L'état actuel de l'art dans l'espace de la grille est fondamentalement assez clairsemé, pas facilement en temps réel pour la majorité des sources de données. Vraiment dépendant de l'idée d'alimenter des données à partir d'un petit ensemble de sources, vers un modèle physique qui émule la grille, puis résout pour vous dire ce qui se passe à un point particulier de celle-ci. C'est bien, mais ce n'est pas du tout la même chose que la surveillance en temps réel. Ce n'est pas le fondement d'un changement massif, car la seule chose que vous pouvez savoir est le modèle. Vous ne pouvez pas connaître le système. Comme le savent tous ceux qui ont travaillé avec un système distribué, les données sur le système en temps réel sont à la base de tout ce que nous faisons. C'est ainsi que vous savez si les choses fonctionnent. C'est ainsi que vous savez comment les choses fonctionnent. C'est ainsi que vous planifiez l'avenir de manière adaptative.

C'était vraiment la genèse pour moi de la création de ma société actuelle, qui construit des logiciels de gestion de réseau pour les personnes qui exploitent des réseaux, et ce sont généralement des services publics. Qu'il suffise de dire que je pense qu'il y a une application vraiment importante et en fait urgente des technologies des systèmes distribués dans cet espace, car nous avons besoin que ces systèmes soient natifs du cloud et nous en avons besoin hier. Nous n'en avons pas besoin parce que le cloud est l'ordinateur de quelqu'un d'autre, nous en avons besoin parce que le cloud est une informatique à l'échelle mondiale ou hyperscale. Nous devons pouvoir traiter de grandes quantités de données en temps réel. Nous devons être capables de résoudre des problèmes complexes d'optimisation d'équilibrage en temps réel, de type IA d'apprentissage automatique. Nous devons pouvoir le faire à très grande échelle et très rapidement. C'est la raison. C'est le changement technologique qui doit se produire dans l'espace de la grille.

Je vais parler un peu d'une certaine confusion terminologique ici. Je me considère comme un ingénieur des systèmes distribués, ou mon travail est l'ingénierie des systèmes distribués. C'est très déroutant dans l'espace du réseau, car les personnes qui travaillent sur le réseau ont l'habitude de penser au système de distribution, qui est la partie du réseau qui se connecte à votre maison, ou à votre entreprise, ou autre. Les services publics comme PG&E, ComEd, ConEd, SDG&E sont principalement des services publics de distribution. Chaque fois que vous prononcez le mot distribuer ou distribué, tout ce à quoi ils pensent, c'est à tout un tas de fils connectés à votre maison. Pour cette raison, nous avons commencé à désigner ce que nous faisons dans l'espace logiciel comme l'informatique à grande échelle ou l'informatique en nuage, simplement parce que c'est déroutant. À la base, la technologie change et la transition que nous devons effectuer pour le réseau passe en réalité d'un modèle centralisé d'exploitation et de conception du réseau à un modèle distribué dans lequel de nombreuses petites ressources jouent un rôle essentiel. En fait, ce dont nous parlons ici, c'est de créer un système distribué pour le système de distribution. Encore une fois, déroutant, mais nous y sommes. En fait, de nombreux termes, de nombreux concepts, etc., sont étonnamment courants. C'est vraiment ce dont je vais parler, c'est la manière dont nous pouvons appliquer les leçons que nous avons apprises de la conception, de l'architecture, de l'ingénierie des systèmes distribués et les intégrer dans l'espace de la grille pour accélérer le rythme du changement.

J'étais chez Google depuis 2004 environ. C'était une période très importante et critique pour Google mais aussi pour l'industrie. J'ai été initialement embauché pour travailler sur la plate-forme cloud de Google environ deux ans avant que la plate-forme cloud ne soit une chose. Selon Wikipedia, le terme cloud a été utilisé pour la première fois par Eric Schmidt lors d'une conférence publique en 2006. En 2004, Google déployait son cloud interne et effectuait une transition vraiment significative de ce modèle informatique centralisé avec quelques grosses ressources vers un modèle hautement distribué de répartition du travail sur des millions d'ordinateurs. C'était quelque chose de très nouveau dans l'industrie. Nous ne pouvions pas embaucher quelqu'un qui l'avait déjà fait. Nous apprenions au fur et à mesure. C'était une période vraiment excitante. Ce mème me fait toujours sourire, car il date de mon passage chez Google. Aussi, parce que j'ai mis les flamants roses sur le dinosaure vers 2007 avec d'autres personnes qui travaillent également sur cette transition de systèmes distribués à très grande échelle. C'était en fait destiné à être une blague sur les systèmes distribués. C'était en fait, comme tous les petits systèmes venus manger le système des dinosaures. C'était une blague du poisson d'avril. C'était celui qui a fini par avoir des jambes assez importantes. Des années plus tard, je voyais quelqu'un venir apporter des flamants roses au dinosaure et tout comme sauter sur un autre flamant rose. J'aime ça parce que je pense que c'est aussi une belle métaphore de la façon dont les systèmes deviennent autonomes et évoluent avec le temps, une fois que vous voyez ces très grands changements de paradigme.

L'histoire de la façon dont vous passez de quelques gros serveurs à un tas de petits serveurs est assez bien racontée. Autant dire que dans n'importe quel modèle, on passe d'un petit nombre de serveurs fiables à un grand nombre de serveurs distribués. Cette structure du système qui répartit le travail sur ces machines, prend en charge les pannes, vous permet de déplacer le travail d'une manière consciente de la façon dont cela fonctionne au sein du système dans son ensemble et vous permet de déplacer le travail sous le contrôle simple de l'opérateur. Est-ce que la structure de ce système vous permet d'obtenir une meilleure fiabilité du système que vous ne pouvez obtenir de n'importe quel élément individuel de celui-ci. Dans le contexte des systèmes distribués de Google, et c'est généralement vrai pour la plupart des services de cloud computing, il existe cet ensemble de capacités dorsales. Je pense que la surveillance est le fondement de chacun d'entre eux, car c'est toujours le fondement de la façon de construire un système fiable. Il y a aussi des idées autour de l'orchestration, comme envoyer du travail aux machines ou envoyer du travail à des endroits où le travail peut être effectué en termes d'affectation de charge, de gestion du cycle de vie, de gestion de flotte. Ce serait un système de type conteneur d'orchestration aujourd'hui. Pour Google, c'était Borg, mais un Kubernetes ou une technologie équivalente, je pense, rentre dans ce seau. L'équilibrage de charge, la capacité d'acheminer le travail à effectuer vers les emplacements de capacité où le travail peut être exécuté, est une technologie de liaison fondamentale de tous les systèmes distribués. Au fur et à mesure que vous traversez des systèmes plus grands, trouver des moyens d'introduire de la flexibilité dans cette répartition du travail augmente vraiment la fiabilité du système dans son ensemble.

Au cours de ce processus pour Google, le maintien de la fiabilité de Google au niveau utilitaire, cinq neuf ou mieux, était une exigence de conception essentielle de toutes les modifications que nous avons apportées. Penser à la façon dont vous échangez soigneusement une pièce à la fois dans un système qui a des dizaines de milliers de types de microservices, pas seulement des microservices ou des instances, et des millions à des milliards d'instances, est un processus très demandé, et dans lequel vous avez besoin de bonnes fondations, et vous avez besoin d'une très bonne visibilité. Ce n'est pas qu'une question de technologie. Il s'agit également des outils qui rendent le système dans son ensemble compréhensible et simple pour les opérateurs, et permettent à un petit groupe d'opérateurs de s'y engager de manière significative.

Avant de continuer à parler de la grille, je veux juste parler des modèles de construction d'infrastructures de manière généralisable dans ce type d'environnement. C'est important pour le réseau, car il est en fait très difficile de construire des systèmes sans utilitaire. Il est également très difficile de construire des systèmes avec un utilitaire. En général, chaque fois que vous construisez un système d'infrastructure à grande échelle, vous allez travailler avec de vrais clients. Vous voulez commencer avec plus d'un, moins de cinq. Très tôt dans le cycle de vie d'un projet de développement d'infrastructure, vous voulez aller aussi loin que vous avez l'intention de servir. Parce que si vous ne le faites pas très tôt, vous n'atteindrez jamais cette échelle. C'est le modèle reproductible réussi que j'ai vu au fur et à mesure que nous développions des dizaines à des centaines de services d'infrastructure chez Google. C'est aussi celui que nous utilisons aujourd'hui dans le paysage de la grille.

Parlons de la grille. La surveillance est une partie assez fondamentale, je pense, de tout système distribué fiable et évolutif. C'est en fait l'une des choses qui est vraiment difficile dans le paysage des grilles d'aujourd'hui. Je vais juste passer en revue à quoi cela ressemble dans la pratique aujourd'hui. Voici un exemple de grille de distribution. Nous avons essentiellement un réseau radial qui va jusqu'aux bords. Il existe différents types de topologies de grille, mais celle-ci est courante et la plus clichée et la plus compliquée. Lorsque nous examinons les parties du réseau, il y a le réseau de transmission, qui est l'épine dorsale Internet du réseau aujourd'hui. Un réseau de transmission est en fait assez simple, c'est un réseau maillé, il n'a pas beaucoup de nœuds. Il en a des milliers, pas des centaines de milliers. C'est vraiment bien instrumenté. Il a une visibilité en temps réel. Il est aujourd'hui exploité en temps réel. Les opérateurs de système indépendants d'aujourd'hui comme CAISO, ou MISO, ou n'importe qui d'autre, ont une assez bonne visibilité sur ce qui se passe avec des sous-stations à très grande échelle dans un réseau à très grande échelle. Ici, sur les bords, il y a certaines ressources qui participent à cet écosystème et à ces marchés aujourd'hui, mais elles ont tendance à être peu nombreuses. Ce sont de très gros clients, généralement commerciaux et industriels. Ils sont également tenus de fournir une visibilité en temps réel à grande échelle sur le réseau de transmission afin de participer.

À mesure que nous avançons, notre objectif est de faire en sorte que ces ressources énergétiques distribuées situées chez les clients fassent partie de cette infrastructure. Aucune exigence de télémétrie pour le moment, il est donc difficile de voir exactement ce qui pourrait se passer. Il est difficile de dire du point de vue de qui que ce soit ce qui se passe quand ils font cela. Il s'agit de la prochaine étape du point de vue du réseau de transmission. La récente ordonnance 2222 de la Commission fédérale de réglementation de l'énergie stipule que cela devrait être requis, mais ne dit pas comment. Ne dit rien sur la télémétrie, la gestion du réseau, l'intégration. C'est une très bonne étape, car forcer le résultat aide à forcer tout le monde à réfléchir au mécanisme.

Du côté de la distribution, l'histoire des données est moins bonne. Pour la plupart des opérateurs de distribution aujourd'hui, bien qu'ils aient pour la plupart des compteurs intelligents, ils peuvent généralement voir ce qui se passe dans n'importe quel compteur particulier, il y a 2 à 24 heures. Cela est dû à la lenteur de la collecte des données. Ils ne disposent généralement d'instrumentation directe sur aucune partie de la ligne en dessous de la sous-station. Ils ne disposent pas non plus nécessairement de modèles précis de connectivité des compteurs aux transformateurs, aux lignes d'alimentation et aux phases. Exécuter ce modèle que j'ai mentionné est plutôt difficile si vous n'avez ni les données ni le modèle. C'est un très gros bloqueur pour ajouter plus de choses aux bords de la grille. Il est donc très difficile de se sentir en sécurité face à tout changement que vous pourriez éventuellement apporter, car vous ne pouvez pas voir ce qui se passe.

Il y a beaucoup de questions. Tout va bien? Que se passe-t-il là-bas ? Jusqu'aux 5 ou 10 dernières années, probablement, la planification et les opérations sur le réseau de distribution prévoyaient littéralement une croissance de la charge pour les 10 prochaines années. Puis surconstruire l'équipement physique du réseau de 10x. Attendez ensuite que quelqu'un vous appelle, si quelque chose a pris feu ou s'il y a eu une panne de courant. Il s'agissait littéralement d'opérations de distribution. De toute évidence, si vous avez beaucoup de choses qui se passent sur les bords, ce n'est pas si génial. Ce n'est pas forcément suffisant. Ce n'est pas le modèle dont nous avons besoin si nous voulons pouvoir ajouter beaucoup d'énergie solaire, ajouter beaucoup de batteries, ajouter beaucoup de véhicules électriques, peu importe, mais c'est ce que nous avons eu. La première étape pour pouvoir apporter des changements significatifs consiste essentiellement à prendre les données dont nous disposons et à commencer à déterminer ce que nous pouvons en faire. C'est le premier endroit où cette approche informatique distribuée à l'échelle du cloud devient vraiment pertinente. C'est aussi le premier endroit où je vais parler d'apprentissage automatique.

Il y a beaucoup de données là-bas, ce n'est tout simplement pas très en temps réel. Ce n'est pas très complet. Pour la plupart des services publics aujourd'hui, ce n'est pas non plus corrélé. Lorsque nous examinons la grille, être capable de prendre les données disponibles et d'obtenir quelque chose comme du temps réel est en fait une très bonne application pour les technologies d'apprentissage automatique. Il y a un tas de choses que nous pouvons faire. Nous pouvons prévoir et obtenir une prévision immédiate de ce qui se passe à n'importe quel compteur individuel, à la fois la demande et la production solaire. Une fois que nous avons un modèle précis des charges d'extrémité, nous pouvons calculer les charges médianes. Nous pouvons extraire la télémétrie tierce des appareils qui existent. Tesla a une très bonne télémétrie sur ses appareils et la capacité de les gérer à grande échelle.

Ensuite, nous pouvons faire beaucoup pour assembler quelque chose d'utilisable à partir du tissu qui existe aujourd'hui. À mesure que nous avançons, nous devons faire mieux. Nous devons mettre l'instrumentation matérielle sur les bords. Nous avons besoin des données en temps réel des compteurs. Nous avons besoin de beaucoup de choses. Si nous devons commencer par là, nous sommes foutus car tout projet comme celui-là pour un service public prend environ 5 à 10 ans. Nous devons commencer avec les données dont nous disposons pendant que nous mettons le reste en place. Comme je parle d'applications technologiques, oui, elles seront toutes meilleures avec de meilleures données. Nous devons commencer avec ce que nous avons. Déterminer comment commencer avec ce que nous avons pour le réseau d'aujourd'hui et aider à franchir les étapes qui nous mèneront au réseau de demain représente près de 100 % du travail car, encore une fois, nous voulons être en mesure de faire ce travail sur le réseau tel qu'il est d'ici 2035. En ce qui concerne la technologie du réseau, c'est demain.

Vers quoi bâtissons-nous ? Le réseau de distribution d'aujourd'hui a un peu de dynamisme. Le rôle du solaire est le principal facteur qui a entraîné le changement au cours des 5 à 10 dernières années. La production solaire ne représente pas nécessairement une grande partie de la plupart des réseaux aujourd'hui, mais dans certains endroits comme l'Australie et Hawaï, etc. L'Australie est en fait le leader mondial dans ce domaine, avec étonnamment l'Allemagne, où ils ont vraiment beaucoup d'énergie solaire sur les toits. L'approvisionnement en énergie fourni par l'énergie solaire locale sur les toits représente parfois plus de 50 % de ce qui est utilisé pendant la journée, parfois jusqu'à 80 % ou 90 %. À ce moment-là, cela cause des problèmes vraiment importants. La chose courte est que dès que vous dépassez 10% environ, vous commencez à voir cette courbe et la ligne rose ici, c'est ce qu'on appelle la courbe du canard. Plus vous mangez de soleil dans la partie diurne de cette courbe, plus le dos du canard est profond. En Australie, ils l'appellent une courbe d'émeu parce que les émeus sont des oiseaux avec de très longs cous, ils l'ont également appelée la courbe des dinosaures. C'est la grille telle qu'elle est aujourd'hui. Plus ces rampes sont raides, le matin et le soir, plus le problème de montée en puissance de la génération traditionnelle pour combler ces lacunes est important. Parce que, bien que ces usines soient considérées comme une charge de base fiable et théoriquement gérables, etc., elles peuvent également prendre une journée pour monter et descendre, elles ne sont donc pas très flexibles. L'autre chose est que vous commencez à vous déplacer autour de choses comme la tension et la fréquence et ainsi de suite, à mesure que vous obtenez plus de ce présent solaire. La réponse de la plupart des services publics aujourd'hui a été du genre, ralentissez. Nous avons une file d'attente d'interconnexion, nous allons faire une étude, ou une version non.

Le réseau de demain doit être très différent. Nous devons fournir environ trois fois la demande. Nous avons besoin d'une grande partie de cette charge pour être flexibles. Nous avons besoin d'un grand rôle pour la batterie. Nous avons besoin de beaucoup de génération pour arriver localement, parce que nous allons avoir du mal à construire toute la transmission dont nous avons besoin. Plus il y a de choses qui se passent localement, mieux nous nous portons. Nous en avons besoin pour être gérable. Nous en avons besoin pour être visible. Nous avons besoin qu'il soit contrôlable. C'est vraiment un grand pas en avant par rapport à ce que nous sommes aujourd'hui. Si nous parlons de, comment prenons-nous des mesures pour passer du réseau tel qu'il est au réseau tel qu'il doit être? Vous pouvez commencer par quelques questions comme, qu'y a-t-il? Qu'est-ce que ça fait? Aujourd'hui, il n'y en a pas beaucoup. C'est vraiment en grande partie, parce que ce changement commence encore à se produire, parce que de nombreux services publics ont repoussé l'ajout de beaucoup de technologies solaires, de batteries ou d'utilisateurs finaux sur les toits. C'est aussi parce que l'un des principaux facteurs à l'origine de ce changement sera les véhicules électriques, et cela commence vraiment à être une chose importante. Pour le réseau tel qu'il se présente aujourd'hui, il n'y a en fait pas beaucoup de problèmes de réseau. Tout le monde a très bien réussi à surdimensionner le réseau, à planifier très efficacement, à ralentir suffisamment les changements pour que le rythme des changements au sein du service public puisse suivre le rythme.

Au fur et à mesure que vous commencez à en avoir un peu plus, vous commencez à voir des endroits où des parties individuelles du réseau sont stressées. Sur cette image, ce petit triangle rouge est un transformateur reliant deux endroits différents où se trouvent des appareils intelligents, disons des services EV, et parfois ce transformateur est surchargé. Nous pouvons le remplacer. C'est bon. Plus nous produisons d'appareils, plus cela commence à se produire. Cela est particulièrement susceptible d'être alimenté par des véhicules électriques, mais les batteries suffisent. La plupart des maisons fonctionnent aujourd'hui avec une charge de pointe d'environ 6 kilowatts. La charge de pointe en kilowatts d'un chargeur bidirectionnel Ford F-150 Lightning est de 19 kilowatts, soit environ 3 à 4 maisons de charge à la fois. C'est suffisant pour chasser la fumée des transformateurs et les incendier.

Maintenant, nous avons cette question que les services publics commencent à se poser, à savoir, comment puis-je empêcher que cela se produise ? C'est la première chose à laquelle ils ont tendance à venir. Alors il y a, comment puis-je savoir à ce sujet? Comment puis-je m'en occuper? Ensuite, vous avez toutes ces sociétés de logiciels, comme la mienne, qui se présentent en disant : "C'est un problème facile pour les logiciels, ils peuvent tout à fait gérer cela. Nous allons simplement programmer la charge du véhicule, ça ira." Un opérateur ou un ingénieur de services publics regarde cela et pose cette question : "Les logiciels sont parfaits pour les logiciels, mais ces transformateurs peuvent exploser. S'ils explosent, ils prennent feu." Cela est vrai tout le long de la grille. Ce que vous avez ici n'est pas nécessairement juste un problème de logiciel, mais maintenant vous avez un problème de système, un problème de culture, qui sera familier à tous ceux qui ont travaillé sur des transitions de systèmes à grande échelle. C'est aussi un problème de confiance.

Une fois que vous savez ce qui existe, vous commencez à vous poser d'autres questions, par exemple, puis-je gérer ces ressources ? Puis-je programmer cette recharge de VE ? Pourrais-je les amener à me fournir des services ? Peuvent-ils m'aider à résoudre les problèmes d'équilibrage ou de fréquence ou de tension que je pourrais avoir ? Quelle est la valeur de ces services ? Parce que je sais en y réfléchissant pour moi, si j'installe des batteries, et que PG&E frappe à la porte et qu'ils se disent, je veux gérer vos batteries. Je suis comme, sortez. S'ils se présentent et qu'ils disent : "J'ai un programme dans lequel nous pouvons automatiquement vous payer pour l'utilisation de ces batteries, parfois d'une manière qui ne perturbe pas votre utilisation de cette batterie", et j'ai un bon pressentiment à propos de PG&E, qui est une question distincte. Je pourrais dire oui à cela. Ce n'est pas une chose déraisonnable. Les piles sont chères, je pourrais vouloir défrayer le coût. Quel que soit le modèle, lorsque je parle de contrôle, gardez à l'esprit qu'une très grande partie de cela est probablement également dictée par le signal de prix. Ou vous allez finalement offrir de l'argent aux propriétaires de ressources ou aux agrégateurs de ressources afin d'obtenir des services de ces ressources. C'est un peu un signal opérationnel secondaire ou indirect. Néanmoins, une partie du tissu de la grille du futur.

Nous avons un problème de confiance. J'aime penser que la confiance est une échelle. J'ai fait beaucoup d'automatisation de processus pilotés par l'homme. C'est quelque chose que nous avons eu beaucoup d'occasions de faire chez Google alors que les choses augmentaient de 10x, 100x, 1 000x, un million de fois, car la complexité du système continue d'évoluer avant la capacité des humains à raisonner à ce sujet. Il y a beaucoup de valeur à avoir quelques commandes simples sur lesquelles un opérateur peut compter, qu'il peut utiliser de manière prévisible et dont il comprend les résultats. Chaque fois que vous ajoutez à cela ou automatisez quelque chose qu'ils font déjà, ce n'est pas quelque chose où vous entrez et vous vous dites : "Je l'ai résolu pour vous. J'ai totalement automatisé ce problème." Si quelqu'un ici a fait cela, vous savez quelle réponse vous obtenez de l'équipe des opérations, ils sont comme, sortez. Vous devez venir en un morceau à la fois. Vous devez rester simple. Vous devez le garder prévisible. Chaque étape doit être compréhensible et digne de confiance.

Pour en revenir à notre petit modèle de réseau, si nous savons un peu ce qui se passe, nous avons quelque chose avec lequel nous pouvons commencer à travailler. Comme, est-ce que je sais ce qui se passe dans ce transformateur ? Est-ce que je sais ce qui se passe aux points de charge qui causent les problèmes ? Dans quelle mesure est-il contrôlable ? Ai-je des leviers ? C'est quelque chose avec lequel nous pouvons commencer à travailler. Gardez simplement à l'esprit qu'au fur et à mesure que nous traversons cela, le but de l'automatisation n'est pas nécessairement simplement d'automatiser les choses, ou d'écrire des logiciels, ou quoi que ce soit. L'objectif est d'aider les humains à comprendre le système et à continuer à comprendre le système à mesure qu'il change. L'ajout d'automatisation de manière superposée et fondée sur des principes a également tendance à correspondre réellement aux couches d'abstraction, ou à des couches d'abstraction qui aident également à créer des systèmes compréhensibles. L'automatisation est toujours meilleure lorsqu'elle fait cela.

Nous pouvons gravir cette échelle d'automatisation ou échelle de confiance pour un appareil individuel. Je peux dire, ok, batterie, je vous fais confiance pour faire votre travail local et sauvegarder le réseau ici. Le moyen le plus simple et le plus fiable pour que cela se produise est de dire que j'ai fait une étude d'interconnexion pour cette batterie, et je sais qu'elle n'est pas capable de produire plus d'énergie à la fois que ce transformateur ne peut en gérer. C'est ce que font la plupart des services publics aujourd'hui pour garder le contrôle. C'est un paramètre de sécurité par défaut. Cependant, à mesure que nous commençons à en obtenir davantage et que ces mises à niveau deviennent très coûteuses, vous devez commencer à faire quelque chose d'un peu plus intelligent que cela. Vous devez savoir quelle est votre allocation de capacité disponible à un point particulier du réseau. Cela peut être très simple. Cela peut être comme, j'ai additionné la taille de toutes ces batteries et je sais qu'il me reste juste cela. Cela peut aussi être quelque chose de plus sophistiqué, et c'est là que la capacité de traiter nos données en temps réel devient importante. Parce que si je peux obtenir des données en temps réel sur le transformateur ou les synthétiser, je peux avoir une idée de l'allocation de capacité qui est généralement sûre, en dehors des heures de pointe, puis je peux commencer à répartir cela entre les personnes qui ont besoin de l'utiliser. Désormais, je peux donner aux opérateurs la possibilité d'appeler ces appareils en toute sécurité, en plus du travail quotidien effectué par les appareils. Le modèle le plus simple pour cela consiste simplement à pouvoir extraire ou insérer de l'énergie à un moment donné. Ce serait comme, s'il vous plaît charger pendant le pic solaire, s'il vous plaît décharger le soir pendant le pic de charge. Une fois que vous avez une hypothèse sûre par défaut que l'appareil, lorsque vous l'appelez, ne fera pas exploser quoi que ce soit, vous commencez à avoir la possibilité de lui faire faire d'autres choses pour vous. C'est plus fiable maintenant.

Cela vous permet de commencer à l'examiner non seulement au niveau de l'appareil, mais également au niveau du système. Maintenant, nous savons quelle est ma capacité en amont, du transformateur au conducteur, qui est la ligne, aux transformateurs en amont, à la tête d'alimentation, à la sous-station. Je peux fournir une allocation dynamique qui me permet essentiellement de commencer à virtualiser la capacité de mon réseau. Ce n'est pas ce que nous faisons dans la grille aujourd'hui, mais c'est tout à fait ce que nous espérons faire dans un avenir proche. C'est la prochaine étape, être capable de gérer ces appareils et d'y faire appel d'une manière qui respecte les limites tout au long de la ligne. Puis de pouvoir le faire d'une manière qui gère la capacité collective du réseau tout en faisant appel à des services. C'est à ce moment-là que nous pouvons commencer à faire des choses comme l'orchestration. Je pense vraiment à l'orchestration comme étant une gestion collective pour atteindre un objectif. Ce n'est pas juste, puis-je allumer et éteindre un appareil, ou puis-je l'empêcher de faire exploser un transformateur ? C'est vraiment, puis-je collectivement regarder cet ensemble d'actifs et y faire appel d'une manière qui optimise quelque chose sur le système que je veux optimiser, le coût, le carbone, dans ces cas particuliers, tout en maintenant la fiabilité. C'est l'unité d'automatisation fondamentale dont nous avons besoin pour le futur réseau.

Pour en revenir à notre question, oui, bien sûr, les logiciels peuvent être dignes de confiance. Nous faisons cela tous les jours. C'est le travail de la plupart des personnes présentes dans cette salle. Nous savons que cela peut être avec des mises en garde. Cela signifie simplement faire le travail. Il ne s'agit pas seulement de faire le travail technique, et c'est la partie vraiment importante ici. Cela signifie également faire fonctionner les systèmes. Une remarque secondaire importante est que chaque fois que vous effectuez un travail au niveau des systèmes dans des systèmes qui ont une très faible tolérance aux pannes, et cela est vrai pour des choses comme les voitures autonomes, pour les applications aérospatiales, les fusées à atterrissage automatique, toutes ces sortes de choses, le rôle de l'environnement de simulation prend de l'importance. Si vous ne pouvez pas tester en toute sécurité dans la nature, vous devez tester en sim. C'est quelque chose qui a été une très grande leçon pour passer d'un environnement comme Google, où en général, vous pouvez tester dans la nature, à quelque chose comme la fusée ou la grille. En fait, j'ai passé pas mal de temps à parler à un ami qui travaillait sur des applications aérospatiales pour comprendre le rôle approprié de la simulation et garantir la sécurité dans un système physique dangereux.

Une fois que vous avez cela, le processus de déploiement du changement dans un système physique à grande échelle comme la grille est très similaire au déploiement du changement dans n'importe quel environnement logiciel de système distribué. Vous allez le tester. Vous allez le canarier. Vous allez le déployer lentement. Vous allez le surveiller. Vous disposez maintenant d'un modèle reproductible qui vous permet de commencer à vous engager dans un changement à grande échelle, dans un environnement de gestion de grille piloté par logiciel. Si vous êtes curieux de savoir où nous en sommes avec cela, nous avons plusieurs grilles qui fonctionnent avec le contrôle qui se trouve dans ce modèle. Cela s'est avéré très utile dans le paysage des grilles, et je pense que c'est un apprentissage très important que nous avons apporté avec nous à partir de l'espace des systèmes distribués.

Ce que cela ouvre, c'est la possibilité de vraiment commencer à envisager une automatisation à très grande échelle. Au final, ce sera gros. Ce n'est pas aujourd'hui, mais il le faut pour résoudre le problème qui nous attend. Nous avons besoin de millions d'appareils. Nous avons besoin d'une forte croissance de la charge. Nous avons besoin de beaucoup de flexibilité. Nous avons besoin que ce soit simple. Alors que nous commençons à regarder cela, en pensant aux types de modèles qui rendent l'échelle prévisible, fiable, gérable et finalement simple pour les systèmes distribués, vous regardez l'unité d'un déploiement de cluster ou d'un centre de données, ou une région, ou un service réparti sur plusieurs régions. Vous commencez à réfléchir, quelles sont ces unités d'autogestion ou de résilience qui vous permettent de commencer à penser à cela, non pas comme un tas de pièces inutiles, mais comme un système sur lequel vous pouvez raisonner. Où vous pourriez essentiellement en définir certains éléments et vous attendre à ce qu'ils fonctionnent de manière à peu près autonome sur une période de temps ne nécessitant qu'une intervention occasionnelle de l'opérateur. Commencer à penser aux régions au sein de la grille comme étant effectivement comme un déploiement au niveau du cluster d'un service. Là où ils sont capables de fonctionner selon une politique cohérente au sein de l'ensemble local de ressources, c'est une façon de penser à l'échelle du réseau, qui, je pense, correspond assez bien à l'environnement des systèmes distribués jusqu'à l'environnement du réseau complet. Ce n'est pas seulement moi non plus. Il s'agit d'une ligne de recherche assez active parmi les chercheurs du réseau, les services publics. C'est le modèle qui, selon nous, peut et va fonctionner, c'est cette idée d'une grille fractale ou d'une grille hiérarchique.

Cependant, pour disposer de la flexibilité nécessaire pour obtenir des résultats utiles de tous ces services disparates, il est essentiel de disposer d'une ressource de flexibilité facilement contrôlable par l'opérateur. C'est là que je veux revenir à l'idée de la mise en cache. Lorsque nous examinons ce qu'il a fallu pour faire évoluer nos systèmes distribués dans les services Web, ou l'espace des services Internet, nous avons commencé par un modèle très centralisé d'allocation de capacité, ou capacité de service. Vous avez un grand centre de données, vous y mettez toute la charge. Vous pourriez en avoir un deuxième en tant que sauvegarde. Lorsque vous commencez à penser à plusieurs emplacements de centre de données, vous pensez également à des choses comme la capacité n plus 1, la capacité de basculement. Au début, vous allez commencer par quelque chose de relativement simple. C'est essentiellement là où se trouve la grille aujourd'hui. Quelques gros générateurs, n plus 1. La planification pour n plus 1 et n plus 2 est une chose très importante dans le réseau comme c'est le cas pour les systèmes distribués. Vous allez prévoir la charge du réseau aujourd'hui et augmenter ou diminuer la production selon les besoins.

Pour en revenir à notre exemple de systèmes distribués, à mesure que la demande augmente, la première étape consiste à ajouter plus d'emplacements de capacité, plus de centres de données, plus d'ordinateurs. La prochaine étape, presque immédiatement après cela, ou à côté de cela, est l'idée de la mise en cache, être capable d'avoir des ressources de calcul légères et optimales qui peuvent servir une partie de votre trafic. Au point où la contrainte n'est pas le processeur ou la ressource de service, mais plutôt le réseau lui-même, le rôle du cache change. C'est là que chez Google, à nos débuts, lorsque nous examinions les problèmes de mise à l'échelle, nous étions vraiment confrontés à une mise à l'échelle limitée par la capacité, car la ressource contrainte était le calcul pour la recherche sur le Web. La bande passante est très petite, une demande ou une réponse de recherche sur le Web n'est pas très grande. Dès que YouTube est arrivé, tout à coup, nous avons eu un problème différent. Maintenant, c'est un problème de coût de réseau. Pour Google, cela a été motivé à 100 % par la diffusion fiable de vidéos de chats, ce qui est très important pour nous tous. J'aime aussi les vidéos de chiens.

C'est à ce moment que nous avons commencé à avoir besoin d'examiner une couche de mise en cache des bords distribués. Ce que cela a donné à Google était essentiellement la possibilité de ne pas simplement utiliser la mise en cache pour couvrir les coûts du réseau, pour empêcher cette demande de traverser tout le réseau. Commencez également à utiliser la mise en cache comme un point de flexibilité qui augmente la fiabilité du système du point de vue de l'utilisateur. Si vous y réfléchissez du point de vue de l'utilisateur, par exemple, votre connexion au réseau peut parfois être interrompue, mais vous pouvez obtenir un résultat à partir du cache de votre navigateur. La connexion de votre FAI au réseau peut être en panne, ou Google peut être en panne ou clignoter pendant une seconde ou quelque chose, cela peut parfois arriver, mais vous pouvez obtenir une réponse d'un cache local s'il y a une réponse disponible là-bas. Ce n'est pas quelque chose qui remplace la fiabilité des ressources centrales, mais c'est quelque chose qui l'augmente considérablement. Commençons à mettre en place ces couches de mise en cache de périphérie, partons d'un point chez Google où nous maintenions essentiellement un système de service central à cinq neuf, y compris le réseau. Le système était finalement mieux que six neuf fiable et efficace à 100% du point de vue de l'utilisateur. Il n'y a aucune raison pour que cela reste ainsi, mais c'était le résultat de ce système.

Si nous commençons à regarder cela dans la perspective de la grille, qu'est-ce qu'un cache ? Une batterie est un cache. En pensant au rôle des batteries dans le futur réseau, il ne s'agit pas seulement de stocker de l'énergie et de pouvoir stocker cette énergie solaire et la réutiliser plus tard. Il s'agit également de fournir la flexibilité qui nous permet d'utiliser le réseau beaucoup plus efficacement, et également de fournir beaucoup plus de contrôle et beaucoup plus de marge d'erreur pour le contrôle que nous fournissons. C'est quelque chose qui, je pense, sera vraiment transformateur pour des ressources surprenantes. C'est quelque chose que nous commençons à voir sur le terrain aujourd'hui. A la limite, on commence à avoir un modèle du futur réseau qui nous semble familier. Nous avons un tas d'emplacements de service indépendants, qui reçoivent potentiellement des politiques ou des mises à jour ou quoi que ce soit, pour fournir une gestion collective efficace au niveau du système. Peut-être peuvent-ils même s'isoler complètement parfois ou la plupart du temps. Espérons qu'ils puissent également fournir des services de réseau, s'ils sont payés pour le faire.

Je dis, j'espère, parce qu'il existe un modèle où tout cela s'effondre également, et l'économie du réseau collectif est écrasée par le désir des gens d'aller et tout simplement de faire défaut et de construire leurs propres centrales électriques localement. Ce serait mauvais, du point de vue des biens communs, car lorsque vous regardez un modèle de réseau qui ne fournit aucune forme de connectivité économique centrale, vous avez tout un tas de personnes qui ne sont plus connectées et ne peuvent plus recevoir efficacement de services. Nous aimons que le modèle de la grille soit disponible, car il nous permet d'optimiser beaucoup de choses. Il optimise l'utilisation du réseau. Il optimise l'utilisation des ressources. Cela nous permet de déplacer l'énergie d'endroits où le vent souffle vers des endroits où il ne souffle pas, où le soleil brille vers des endroits où il ne brille pas. Déplaçons les ressources et donnons un coup de pouce substantiel à l'efficacité de la production et des ressources du réseau. Ce n'est pas un résultat par défaut, nous devons le construire si nous voulons que cela se produise.

Juste le ramener à aimer, pourquoi parlons-nous de cela en premier lieu? Ce n'est pas un exercice académique. Ce n'est pas seulement parce que nous voulons que les gens puissent être payés pour l'utilisation de leurs batteries. Ce n'est même pas simplement parce que nous voulons que les transformateurs n'explosent pas. C'est parce que nous avons vraiment besoin de la flexibilité que les clients et les utilisateurs finaux offrent pour être les derniers 20 % de décarbonisation du réseau et augmenter notre approvisionnement énergétique. Si nous y parvenons, nous avons de très bonnes chances de respecter nos échéances. Nous pourrions y arriver d'ici 2035. Nous pourrions y arriver d'ici 2040. 2040 n'est pas si mal. 2030 serait le meilleur. Chaque jour que nous faisons est un autre jour où nous n'émettons pas le carbone que nous avons émis dans le passé, et c'est un pas vers un avenir meilleur.

En guise de conclusion, je vais simplement aborder la question de savoir si nous aurons éventuellement une IA géante pour faire fonctionner le réseau. Ma réponse courte à cela n'est probablement pas une IA géante, pour plusieurs raisons. Premièrement, la prévisibilité et la transparence sont vraiment importantes dans un système comme celui-ci, où il y a de nombreux participants. Il doit être compréhensible, prévisible, et il doit également être quelque chose où, en particulier, les implications financières de toute action entreprise sont très claires. Cela dit, c'est un problème très complexe. Il existe de nombreuses opportunités pour le ML et l'IA de l'améliorer. À la limite, je m'attends à ce que l'IA joue un rôle très important dans l'optimisation et la planification, et continue à comprendre et à être capable de gérer efficacement l'évolution des modèles d'utilisation de l'énergie, pour faire tout ce qui est sur cette diapositive. Mon heureux message est que c'est quelque chose que nous pouvons faire évoluer au fur et à mesure. Nous pouvons partir des outils dont nous disposons. Il y a une opportunité pour tout le monde de trouver un travail technique vraiment intéressant dans les domaines qui vous intéressent avec la grille, que ce soit simplement du point de vue des systèmes et des opérations, ou que vous soyez un chercheur en IA et en ML, et vous voyez des moyens d'améliorer vraiment considérablement les opérations de ces systèmes.

Il existe quelques autres ressources qui sont vraiment utiles pour les ingénieurs qui cherchent à apporter un changement dans l'espace climatique. Nous ne sommes pas la seule entreprise à travailler dans ce domaine, il y en a plusieurs très bien. Je vous encouragerais vraiment à envisager de vous orienter vers le climat et les technologies propres lorsque vous réfléchissez à l'avenir de votre carrière. Parce qu'il n'y a pas de travail plus important que nous puissions faire aujourd'hui.

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Enregistré à :

12 mai 2023

par

Astrid Atkinson

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