來源：【51cto.com】本文分析了當(dāng)前服務(wù)器能耗現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)，從芯片級(jí)、基礎(chǔ)架構(gòu)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)三個(gè)層次介紹了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外相關(guān)節(jié)能技術(shù)研究現(xiàn)狀，并闡述剖析了未來服務(wù)器節(jié)能技術(shù)的發(fā)展方向，全文概述了服務(wù)器能效評(píng)價(jià)技術(shù)的現(xiàn)狀并展望了未來中國(guó)服務(wù)器能效評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。
服務(wù)器能耗的增加主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：首先是CPU功耗的增加，幾十年來，CPU的發(fā)展基本遵循摩爾定律，其制造工藝不斷提升，晶體管越來越小，頻率越來越高，在其計(jì)算能力飛速提升的同時(shí)，其功耗同樣增長(zhǎng)驚人;其次是內(nèi)存及其功耗的增加，自從馮*諾伊曼架構(gòu)誕生以來，內(nèi)存就成了計(jì)算機(jī)中必不可少的部件，隨著制造工藝的改進(jìn)，內(nèi)存容量越來越大，速度越來越快，現(xiàn)在主流的DDR2和FBD內(nèi)存均已達(dá)到10W這個(gè)量級(jí);再次是芯片組和外圍設(shè)備，由于CPU和內(nèi)存頻率不斷提高，這就要求和它們配合的芯片組，總線和外圍設(shè)備都需要工作在更高的頻率，才能充分發(fā)揮其性能，而更高的頻率意味著更多的電能消耗;第四方面是機(jī)房制冷和供電設(shè)備的能耗，由于服務(wù)器對(duì)高溫非常敏感，因此機(jī)房必須配置大量的制冷設(shè)備，而且機(jī)房供電設(shè)備在把電壓轉(zhuǎn)換為220V時(shí)，會(huì)損失部分電能。以百萬億次超級(jí)計(jì)算機(jī)-曙光5000A為例，其采用近4000顆四核處理器構(gòu)建，總內(nèi)存容量達(dá)64TB，存儲(chǔ)容量達(dá)500TB，總體功耗達(dá)到700千瓦，其每年的電費(fèi)開銷預(yù)期將高達(dá)1000萬元人民幣以上，未來持續(xù)千萬億次超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的能源消耗預(yù)期將遠(yuǎn)高于以上估算，可以說，當(dāng)前節(jié)能已逐漸成了服務(wù)器技術(shù)的關(guān)鍵詞。
服務(wù)器節(jié)能技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
能耗和散熱的限制是發(fā)展多核技術(shù)的初始動(dòng)機(jī)，長(zhǎng)期以來，業(yè)界在服務(wù)器節(jié)能技術(shù)方面做了大量的努力，研究主要集中在三個(gè)方面：芯片級(jí)節(jié)能技術(shù)，如CPU功耗控制、CPU頻率調(diào)整、芯片級(jí)冷卻技術(shù)、低功耗專用芯片部件等;基礎(chǔ)架構(gòu)級(jí)節(jié)能技術(shù)，如存儲(chǔ)致冷、******率電源、水冷及液態(tài)金屬致冷機(jī)柜、智能溫控風(fēng)扇等;系統(tǒng)級(jí)節(jié)能技術(shù)，如基于作業(yè)調(diào)度的機(jī)群節(jié)點(diǎn)休眠、面向能耗的進(jìn)程及作業(yè)級(jí)遷移等。
芯片級(jí)節(jié)能技術(shù)
芯片級(jí)節(jié)能技術(shù)主要包括CPU功耗控制、CPU頻率調(diào)整和專用低功耗部件。
CPU加工工藝的不斷提升，多核及CPU中集成內(nèi)存控制器，在提高性能的同時(shí)，降低了主板芯片組的功耗。另一方面，通過降低電壓和頻率也可以降低CPU的動(dòng)態(tài)功耗，在CPU功耗控制方面，如Intel推出的動(dòng)態(tài)功耗節(jié)點(diǎn)管理器(Dynamic Node Management)是一個(gè)內(nèi)嵌于英特爾服務(wù)器芯片組的帶外 (OOB) 功率管理策略引擎。它與 BIOS 和操作系統(tǒng)功耗管理 (OSPM) 協(xié)作，動(dòng)態(tài)地調(diào)整平臺(tái)功耗，從而實(shí)現(xiàn)服務(wù)器)性能/功耗的******化。在專用低功耗部件研究方面，包括上海瀾起公司研發(fā)的高級(jí)內(nèi)存緩存AMB芯片、SSD固態(tài)電子硬盤等技術(shù)與產(chǎn)品。
基礎(chǔ)架構(gòu)級(jí)節(jié)能技術(shù)
基礎(chǔ)架構(gòu)級(jí)節(jié)能技術(shù)主要包括液冷、存儲(chǔ)制冷、******能電源、高效能散熱冷卻技術(shù)等諸多技術(shù)。
高效能散熱冷卻技術(shù)包括研究效率更高的散熱方式和性能更好的冷卻設(shè)備，如HP PARSEC體系結(jié)構(gòu)(Parallel Redundant Scalable Enterprise Cooling)、IBM的機(jī)房冷卻系統(tǒng)等。存儲(chǔ)制冷(Stored Cooling)指預(yù)先基于制冷設(shè)備存儲(chǔ)部分制冷能力，在需要時(shí)再有效釋放，類似電池的儲(chǔ)電功能，如IBM基于存儲(chǔ)冷卻技術(shù)的機(jī)房冷卻方案。液冷技術(shù)包括水冷及液態(tài)金屬制冷，由于其導(dǎo)熱能力強(qiáng)并且熱容更大，能夠更快的緩解負(fù)載突變?cè)斐傻纳釅毫Σ⑽崭嗟臒崃?，在?dāng)前大型計(jì)算機(jī)中使用越來越普遍，如IBM Cool Blue機(jī)柜系統(tǒng)。
系統(tǒng)級(jí)節(jié)能技術(shù)
在解決功耗方面，除采用上述CPU功耗控制、CPU工作頻率調(diào)整、液體冷卻、低功耗專用芯片、芯片級(jí)冷卻等技術(shù)以外，學(xué)術(shù)界和企業(yè)界也在研究系統(tǒng)級(jí)節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)品，包括：基于負(fù)載情況動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)狀態(tài)、實(shí)施部分節(jié)點(diǎn)或部件的休眠;根據(jù)各進(jìn)程能耗的不同對(duì)CPU任務(wù)隊(duì)列進(jìn)行調(diào)整，如將一些產(chǎn)生較多熱量的任務(wù)從溫度較高的CPU上遷移到溫度較低的CPU上從而實(shí)現(xiàn)能耗的均衡。如國(guó)家高性能計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心開發(fā)的自適應(yīng)功耗管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)基于能效的作業(yè)調(diào)度策略，IBM PowerExecutive允許用戶 “ 計(jì)量 ” 任何單一物理系統(tǒng)或一組物理系統(tǒng)的實(shí)際電力使用數(shù)據(jù)和趨勢(shì)數(shù)據(jù)，并可對(duì)實(shí)際用電量進(jìn)行監(jiān)視，并在系統(tǒng)、機(jī)箱或機(jī)架層次上對(duì)數(shù)據(jù)中心中的電耗和熱耗進(jìn)行有效分配。
服務(wù)器節(jié)能技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
當(dāng)前全球***快性能Top 500超級(jí)計(jì)算機(jī)其每瓦Gflops性能都在0.5以下，未來******能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其每瓦Gflops性能應(yīng)在1.0GFlops per watt 以上，當(dāng)前混合異構(gòu)體系結(jié)構(gòu)、自主節(jié)能管理、應(yīng)用加速、系統(tǒng)級(jí)節(jié)能等技術(shù)的發(fā)展正推動(dòng)這一目標(biāo)的逐步實(shí)現(xiàn)。
體系結(jié)構(gòu)促動(dòng)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展
雖然尚存在軟件的可用性、任務(wù)調(diào)度、編程模式等諸多問題，基于標(biāo)量處理器、FPGA、向量及多線程處理器、圖形處理器等來構(gòu)建混合異構(gòu)的高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已成為解決能耗的主要途徑之一，其中可重構(gòu)計(jì)算結(jié)構(gòu)能以較低的硬件復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)指令、數(shù)據(jù)及線程級(jí)并行，并且具有較大的性能/功耗、性能/價(jià)格優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算等諸多領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用加速。采用混合異構(gòu)的高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括IBM代號(hào)為“Roadrunner”的千萬億次超級(jí)計(jì)算機(jī)，其采用混合異構(gòu)刀片機(jī)群來構(gòu)建，每個(gè)機(jī)箱包括3個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包括4個(gè)刀片，2個(gè)QS22 Cell刀片，1個(gè)擴(kuò)展連接刀片，另外一個(gè)是LS21雙核AMD Opteron刀片。全系統(tǒng)采用6562顆AMD 雙核Opteron CPU 和12240顆八核Cell 處理器芯片，其中，Opteron處理器負(fù)責(zé)一般的計(jì)算進(jìn)程、文件IO和通訊，Cell負(fù)責(zé)那些復(fù)雜的、重復(fù)的、大量消耗機(jī)器資源的計(jì)算過程，同時(shí)Roadrunner還采用先進(jìn)的“混合編程(Hybrid Programming)”軟件，以實(shí)現(xiàn)異構(gòu)計(jì)算。該款機(jī)器以437.43 MFLOPS/watt的能效成績(jī)排在Green500中第三名。
節(jié)能趨向*********發(fā)展
芯片級(jí)、基礎(chǔ)架構(gòu)級(jí)以及系統(tǒng)級(jí)節(jié)能確實(shí)能夠節(jié)約部分功耗，但并不能提高機(jī)房的冷卻效率，高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中節(jié)能和散熱冷卻是緊密結(jié)合在一起的，基于服務(wù)器能耗監(jiān)控和制冷設(shè)備的聯(lián)動(dòng)可以提升冷卻系統(tǒng)的效率，實(shí)現(xiàn)******制冷。服務(wù)器能耗監(jiān)控和制冷設(shè)備的聯(lián)動(dòng)基于完整的機(jī)房散熱模型，評(píng)估機(jī)房的散熱效率，并根據(jù)散熱模型計(jì)算相應(yīng)制冷量，調(diào)整空調(diào)的風(fēng)壓和風(fēng)速、液冷機(jī)柜的溫度、流速、機(jī)柜風(fēng)扇轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)******制冷的需求。
可以說，未來服務(wù)器系統(tǒng)的節(jié)能必將向芯片、基礎(chǔ)架構(gòu)、系統(tǒng)、機(jī)房制冷聯(lián)動(dòng)*********發(fā)展，包括芯片級(jí)節(jié)能技術(shù)、低功耗專用芯片、芯片級(jí)冷卻、應(yīng)用加速、液體冷卻、CPU頻率動(dòng)態(tài)調(diào)整、功耗限制、實(shí)施部分節(jié)點(diǎn)或部件的休眠、根據(jù)各進(jìn)程能耗的不同對(duì)CPU任務(wù)隊(duì)列進(jìn)行調(diào)整、基于能效的作業(yè)調(diào)度策略、基于散熱模型的機(jī)房制冷聯(lián)動(dòng)等諸多方面。
自主節(jié)能管理浮出水面
未來節(jié)能管理和服務(wù)器監(jiān)控管理融合的趨勢(shì)將進(jìn)一步增強(qiáng)，包括自動(dòng)監(jiān)控各類資源部件的能耗，對(duì)能耗監(jiān)控歷史數(shù)據(jù)深度挖掘、關(guān)聯(lián)推理并實(shí)施系統(tǒng)動(dòng)態(tài)功耗預(yù)測(cè)，通過其自配置、自恢復(fù)、自優(yōu)化等特性自主地采取措施、減少人工干預(yù)，實(shí)施和作業(yè)調(diào)度、虛擬計(jì)算環(huán)境、機(jī)房制冷的聯(lián)動(dòng)，可根據(jù)應(yīng)用的能耗特征構(gòu)造虛擬計(jì)算環(huán)境，并提供保證服務(wù)質(zhì)量的綜合手段以及分析、診斷應(yīng)用系統(tǒng)的工具，減少人工干預(yù)，以實(shí)現(xiàn)智能功耗管理。自主節(jié)能管理可以有效緩解高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)管理的復(fù)雜性和功耗壁壘雙重壓力。
服務(wù)器能效評(píng)價(jià)技術(shù)現(xiàn)狀
服務(wù)器系統(tǒng)的發(fā)展離不開基準(zhǔn)程序測(cè)試。按照應(yīng)用類型，基準(zhǔn)測(cè)試程序可分為科學(xué)計(jì)算、商業(yè)應(yīng)用、信息服務(wù)等。按照測(cè)試關(guān)注的對(duì)象，包括宏觀基準(zhǔn)測(cè)試程序和微觀基準(zhǔn)測(cè)試程序兩類。宏觀基準(zhǔn)測(cè)試程序測(cè)量服務(wù)器系統(tǒng)的總體性能，如NPB包括5個(gè)核心程序和3個(gè)CFD應(yīng)用程序，用來測(cè)試大規(guī)模計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能;PARKBENCH基于Fortran90和HPF來測(cè)試共享或分布共享計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的性能;PMB是由Pallas研究開發(fā)的一套綜合的MPI基準(zhǔn)測(cè)試程序集;PmaC是一套測(cè)試大規(guī)模計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本性能的正交基準(zhǔn)測(cè)試程序集;HPCC綜合考慮了計(jì)算、訪存、通信與輸入輸出性能指標(biāo)，試圖取代傳統(tǒng)的Linpack Benchmark 成為TOP500排序的依據(jù)。微觀基準(zhǔn)程序測(cè)量服務(wù)器系統(tǒng)某個(gè)特定方面的性能，如CPU速度、存儲(chǔ)器速度、I/O速度、操作系統(tǒng)性能和網(wǎng)絡(luò)性能等，如Linpack側(cè)重于系統(tǒng)浮點(diǎn)峰值運(yùn)算能力的測(cè)試。目前已提出和正在使用的基準(zhǔn)程序組已超過100多個(gè)。
當(dāng)前在服務(wù)器能效評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)方面，主要有如下幾種評(píng)價(jià)方式：
SPECpower_ssj2008
國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)性能評(píng)估機(jī)構(gòu)(SPEC)發(fā)布了SPECpower_ssj2008,這是業(yè)界******項(xiàng)用于評(píng)測(cè)系統(tǒng)級(jí)別服務(wù)器的與運(yùn)算性能相關(guān)的功耗基準(zhǔn)測(cè)試工具，其測(cè)試模型如下圖1所示。SPEC設(shè)計(jì)的SPECpower_ssj2008不僅可以作為一項(xiàng)指標(biāo)來比較不同服務(wù)器之間能耗和性能，還可作為提高服務(wù)器效率的工具集來使用。SPECpower_ssj2008可以評(píng)估服務(wù)器系統(tǒng)在10%負(fù)載的待機(jī)模式到100%滿負(fù)載狀況下的功耗數(shù)據(jù)，測(cè)試的負(fù)載為典型的服務(wù)器端的JAVA商業(yè)應(yīng)用程序。負(fù)載可擴(kuò)展，多線程，可以在不同的操作環(huán)境間移植。
運(yùn)行在SUT(System Under Test)上的負(fù)載SSJ(Server Side Java)是一個(gè)模擬標(biāo)準(zhǔn)三層客戶-服務(wù)器架構(gòu)的java實(shí)現(xiàn)。SSJ包含JVM Instance和JVM Director,JVM Instance包含三層：Threads(tier1)，Business Logic(tier2)和Warehouses(tier3)。JVM Director和實(shí)際負(fù)載同時(shí)運(yùn)行，它的主要作用是控制負(fù)載上的JVM實(shí)例;與CCS通信，接受和分發(fā)來自CCS的命令;收集負(fù)載數(shù)據(jù)并向CCS報(bào)告。
Green Top 500
2007年11月，在美國(guó)內(nèi)華達(dá)州里諾市舉行的超級(jí)計(jì)算2007大會(huì)上，美國(guó)弗吉尼亞工學(xué)院首次發(fā)布了“綠色500(Green500)”超級(jí)計(jì)算機(jī)排行榜，對(duì)全球能效******的超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行了排名，以作為TOP500排行榜的補(bǔ)充。Green500榜單中所有的系統(tǒng)都以MFLOPS/Watt(百萬次浮點(diǎn)運(yùn)算/瓦特)來統(tǒng)計(jì)其性能功耗比。MFLOPS數(shù)值來自TOP500榜單中所上報(bào)的Linpack基準(zhǔn)測(cè)試性能,Watt值來自系統(tǒng)運(yùn)行Linpack基準(zhǔn)時(shí)的測(cè)量功率，或者是基于系統(tǒng)規(guī)格估算出的******功率，單節(jié)點(diǎn)能耗基于功率表、電壓計(jì)、電流計(jì)測(cè)得，用多個(gè)節(jié)點(diǎn)的功耗求平均，再乘所有計(jì)算節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，得到系統(tǒng)總能耗。
在第31次Top500排行榜名列******的Roadrunner, 以437.43 MFLOPS/watt能效成績(jī)排名Green500第三，另外兩臺(tái)系統(tǒng)都是IBM基于Cell處理器的QS22超級(jí)計(jì)算機(jī)，能效值分別為488.14 MFLOPS/watt、488.14 MFLOPS/watt。
Green Grid
2007年成立的行業(yè)協(xié)會(huì)Green Grid 開發(fā)了測(cè)量數(shù)據(jù)中心效率和生產(chǎn)力的標(biāo)準(zhǔn)，如圖2所示。指標(biāo)PUE(Power UsageEffectiveness，電力使用效率)=總設(shè)施耗電量與IT設(shè)備耗電量之比。應(yīng)當(dāng)小于2，越接近1越好;指標(biāo)DCiE(DataCenter infrastructure ，數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施效率)=IT設(shè)備耗電量x100與總設(shè)施耗電量之比，數(shù)字越大越好。這兩項(xiàng)指標(biāo)被用于將數(shù)據(jù)中心消耗在供電和冷卻上的電量與數(shù)據(jù)中心的IT設(shè)備使用的電量進(jìn)行比較。Green Grid***終希望為數(shù)據(jù)中心拿出一個(gè)類似于汽車每加倫英里數(shù)的指標(biāo)，不過，采集能耗數(shù)據(jù)以及應(yīng)用這兩項(xiàng)指標(biāo)，使其可被應(yīng)用于不同機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)中心效率上，仍有很多工作要做。
中國(guó)服務(wù)器能效評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)展望
如何衡量服務(wù)器系統(tǒng)的能效?一方面服務(wù)器的能效囊括CPU、內(nèi)存、外圍芯片組、電源、硬盤等諸多部件能耗的狀況，我們需要開發(fā)新的度量準(zhǔn)則(metrics)和benchmarks來測(cè)量和預(yù)測(cè)服務(wù)器系統(tǒng)及部件級(jí)能效特征，這種基準(zhǔn)測(cè)試往往基于壓力測(cè)試，評(píng)價(jià)服務(wù)器及其組件的極限能效性能，另一方面，我們也必須看到服務(wù)器的能效和應(yīng)用的能效需求密不可分，應(yīng)用在影響服務(wù)器系統(tǒng)性能的高低、規(guī)模的大小的同時(shí)，也在影響系統(tǒng)整體能效的輸出狀態(tài)，所以高性能計(jì)算機(jī)的能效評(píng)價(jià)我們必須考慮到應(yīng)用的因素，應(yīng)用的多樣性和新技術(shù)的涌現(xiàn)，導(dǎo)致了大規(guī)模計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)形式的多樣性，能效評(píng)價(jià)應(yīng)能適應(yīng)這些新的變化，并能關(guān)注到系統(tǒng)的占地面積、維護(hù)成本、可靠性、可用性、好用性、總體擁有成本、可編程性、可移植性等各影響因素的層次關(guān)系，***終目標(biāo)應(yīng)是實(shí)現(xiàn)以應(yīng)用效率為導(dǎo)向的服務(wù)器能效評(píng)價(jià)體系，而非單一的功耗度量準(zhǔn)則。
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