Оценка влияния аппаратных технологий энергосбережения персонального компьютера на производительность и энергопотребление

Введение1

В настоящее время остро стоит проблема эффективного использования и сбережения ресурсов. С распространением компьютеров и увеличением масштабов их использования растет и необходимость экономии электроэнергии. Так, например, вычислительный кластер ЮУрГУ «Infinity» обладает энергопотреблением 8,4 кВт · ч [1]. При нынешней рыночной цене на электроэнергию (~4 руб. / кВт · ч) получается, что час работы этой вычислительной системы обходится в 33,6 руб., сутки – 806 руб., год – 294 336 руб. Причем кластер «Infinity» обладает сравнительно скромной на сегодняшний день производительностью – 270 Gflops [1]. Производительность, отнесенная к энергопотреблению, даст цифру 32,1 Gflops/кВт · ч, стоимость Gflops по энергопотреблению – 0,12 руб./Gflops. Для сравнения: для более современного кластера ЮУрГУ «СКИФ-Аврора» удельная производительность (на кВт · ч) оценивается в 200 Gflops / кВт · ч при производительности 24 Tflops [2], то есть энергопотребление равно 120 кВт · ч, а стоимость Gflops по энергопотреблению – 0,02 руб./Gflops. Падение стоимости Gflops по энергопотреблению можно объяснить общим повышением уровня технологий и специальными мерами, направленными на снижение энергопотребления кластера «СКИФ-Аврора» (жидкостное охлаждение, твердотельные накопители, гибридные вычислительные узлы и т. д.). Однако хотя энергозатраты на 1 Gflops падают, повышается производительность. Час работы «СКИФ-Аврора» обойдется уже в 480 руб., сутки – 11 520 руб., год – 4 204 800 руб. Снижение энергопотребления даже на 10 % дает экономию в 420 480 руб. в год или 35 тыс. руб. в месяц.2

Технологии управления питанием развиваются давно. Исторически первым был стандарт АРМ (Advanced Power Management) – программный интерфейс (API) для управления питанием. Стандарт был разработан в 1992 году компаниями Intel и Microsoft, в 1996 году была выпущена последняя версия стандарта 1.2. На данный момент современные операционные системы и аппаратные платформы этот стандарт не реализуют, он является устаревшим [3].

Современным интерфейсом управления питанием является ACPI (Advanced Configuration and Power Interface). Последняя опубликованная версия спецификации – 4.0а от 5 апреля 2010 года [4]. В спецификации определяются состояния процессора, периферийных устройств, ранжируются состояния сна и производительности. Снижение энергопотребления влечет за собой либо потерю функциональности, либо потерю производительности. Однако для нагруженных вычислительных систем такое поведение нежелательно и часто невозможно. Появляется задача оценки влияния технологий энергосбережения на реальное потребление энергии и на производительность с целью вы-

яснить возможность и границы использования технологии ACPI для энергосбережения нагруженных вычислительных систем. Проблема влияния энергосбережения на производительность заключается также и в том, что при определенном соотношении выигрыша по потреблению и проигрыша по производительности теряется экономический эффект от энергосбережения. Например, если экономия 20 % электроэнергии приводит к 50 %-ному падению производительности, то суммарные затраты возрастут на 60 %: при работе в течение t ч на мощности x кВт система потребит tx кВт · ч, при работе в течение 2 t ч на мощности 0,8 x кВт – 1,6 кВт. Поэтому важно оценить влияние технологий энергосбережения и на энергопотребление системы, и на ее производительность.

Описание эксперимента

Для оценки проведем следующий эксперимент: возьмем вычислительную систему и будем задавать ей на исполнение одну и ту же преимущественно вычислительную задачу. Будем снимать показания потребляемой мощности при использовании и без использования технологий энергосбережения. Снимаемые данные будем соотносить с этапом работы вычислительной системы, что позволит оценить влияние ACPI и на работу аппаратной составляющей системы без загрузки операционной системы.

Для эксперимента была выбрана серверная платформа Intel S5500BC в следующей комплектации:

• -    2 процессора Intel Xeon E5504 2.00ГГц;

• -    4 планки оперативной памяти DDR3 PC10600 ECC по 2048 МБ каждая;

• -    2 жестких диска SATA2 7200 rpm по 160 ГБ каждый;

• -    2 вентилятора 94 x 97 мм;

• -    2 сетевых адаптера Gigabit Ethernet (на время эксперимента отключаются в BIOS).

На сервер устанавливается операционная система Arch Linux в срезе от 01.11.2011. Версии основных компонентов:

• -    версия ядра linux kernel 3.0.7;

• -    версия драйвера P-состояний intel-phc 0.3.2.12.3.

Проводятся следующие эксперименты:

• 1)    загрузка с отключенным ACPI и энергосбережением дисков (ACPI отключается в BIOS, linux загружается с параметром acpi=off, выполняется команда hdparm-M 254);

• 2)    загрузка с включенным ACPI, без поддержки Р-состояний, без энергосбережения дисков (ACPI включается в BIOS, ставится запрет на загрузку модуля phc-intel, выполняется команда hdparm-M 254);

• 3)    загрузка с включенным ACPI, без поддержки Р-состояний, c энергосбережением дисков (ACPI включается в BIOS, ставится запрет на загрузку модуля phc-intel, выполняется команда hdparm-M 128);

• 4)    загрузка с включенным ACPI, с поддержкой Р-состояний, без энергосбережения дисков (ACPI

  

  Эксперимент 1 Эксперимент 2 Эксперимент 3 Эксперимент 4 Эксперимент 5

  Результаты экспериментов

  
  

Оценка влияния аппаратных технологий энергосбережения персонального компьютера на производительность и энергопотребление

Результаты экспериментов

Показатели Эксп. 1 Эксп. 2 Эксп. 3 Эксп. 4 Эксп. 5 Время выполнения вычислительной задачи, с 108,65 103,77 103,67 103,74 102,35 Максимальная мощность, Вт 167,2 167,6 169,6 167,5 168,1 Минимальная мощность, Вт 122,3 87,1 86,9 83,8 86,6 Потребленная мощность, Вт · ч 7,46 7,49 7,38 7,7 7,47 Время наблюдения, с 190 186 181 196 185 Удельная потребленная мощность, Вт 141,35 144,97 146,78 141,43 145,36 включается в BIOS, настраивается принудительная загрузка модуля phc-intel, выполняется команда hdparm-M 254);

• 5)    загрузка с включенным ACPI, с поддержкой Р-состояний, c энергосбережением дисков (ACPI включается в BIOS, настраивается принудительная загрузка модуля phc-intel, выполняется команда hdparm-M 128).

Во всех экспериментах выбирается режим управления скоростью вращения вентиляторов, направленный на энергосбережение.

Потребляемая мощность определяется ваттметром, разработанным специалистами НПИ «Учебная техника и технологии». Ваттметр включается в разрыв цепи между кабелем питания серверной платформы и розеткой. Измеритель оснащен USB-портом, через который раз в секунду выдает показания. Показания снимаются и сохраняются отдельным компьютером.

В качестве вычислительной задачи запускаются 8 (по числу ядер) процессов генерации 100 000 1024-битных последовательностей псевдослучайных чисел командой «dd if=/dev/urandom of=/dev/null bs=1024 count=100000», время исполнения учитывается программой time и самой программой dd.

Был получен объединенный график потребляемой мощности (см. рисунок). Прямоугольниками на кривых потребления отмечены следующие события (слева направо):

• 1.    Инициализация жестких дисков (ACPI еще не задействован).

• 2.    Конец инициализации аппаратной платформы и начало загрузки операционной системы (ACPI еще не задействован).

• 3.    Конец загрузки операционной системы.

• 4.    Начало вычислений.

• 5.    Конец вычислений.

Прочие результаты экспериментов представлены в таблице.

Как видно из графика, лучше всего ACPI проявляет себя в моменты простоя. Под нагрузкой ACPI увеличивает потребляемую мощность, при этом не сокращая времени вычислений. Причины такого поведения непонятны, однако могут заключаться в ошибке программной или аппаратной реализации ACPI. В процессе загрузки ACPI не задействуется, поэтому графики накладываются друг на друга. Прочие технологии энергосбережения не оказывают видимого эффекта на энергопотребление.

Выводы

Для нагруженных систем ACPI не дает положительного эффекта и может привести к увеличению энергопотребления. Поведение системы с ACPI заранее предсказать невозможно. В моменты простоя ACPI позволяет снизить энергопотребление примерно на 30 %. Применение ACPI для систем с постоянной загрузкой и с загрузкой, близкой к постоянной, бесполезно и в некоторых случаях может привести к неожиданным результатам.