PowerNap: Eliminating Server Idle Powerjulius/stre/SemPowerNap.pdf · PowerNap: Eliminating Server Idle Power Clayton Reis da Silva [email protected] Apresentação para a disciplina

PowerNap:

Eliminating Server

Idle Power

Clayton Reis da [email protected]

Apresentação para a disciplina Sistemas de Tempo Real e Embarcados – 2010.1

Mestrado em Ciência da Computação – 28 de junho de 2010

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David Meisner, Brian T. Gold e Thomas F. Wenisch

mailto:[email protected]

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Clayton Reis da Silva - Mestrado em Ciência da Computação – 28 de junho de 2010

AGENDA

• Introdução (1)

• Utilização do Servidor (2)

• PowerNap e seus mecanismos (3, 4)

• RAILS (5)

• Conclusão (6)

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INTRODUÇÃO

• Grandes centrais de dados consomem muito e são custosos

• Servidores gastam 60% da energia de pico mesmo em estado de espera

• Em centros de dados, a utilização média é entre 20% e 30%

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INTRODUÇÃO

• A opção ideal seria simplesmente desligar os servidores que estão em espera

• Porém, servidores apresentam períodos frequentes e curtos de atividades

• Períodos de espera duram menos que um segundo, e esse fato não pode ser usado por mecanismos de economia existentes

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INTRODUÇÃO

• DVFS é proposto, mas processadores são apenas 25% da energia gasta de servidores atualmente

• É proposto o modelo PowerNap, que se baseia em transições rápidas do estado de total atividade para o estado de “cochilo” (nap state) onde o gasto de energia é mínimo

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INTRODUÇÃO

• As duas metas do PowerNap são:- Otimizar economia de energia no cochilo- Minimizar tempo de transição entre os estados de atividade e cochilo

• No artigo, ainda é proposto o RAILS (Redundant Array for Inexpensive LoadSharing), que tem como objetivo diminuir consumo do circuito alimentador do servidor

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UTILIZAÇÃO DO SERVIDOR

• Utilização de servidores é baixa, principalmente em serviços interativos

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• Servidores são extremamente ineficientes em baixo níveis de carga

• Processadores correspondem a uma pequena parcela do consumo de energia

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• Servidores tem baixa utilização, mas suas atividades ocorrem em pequenas rajadas

• Assim, parecem estar sempre com uma pequena carga contínua

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POWERNAP E SEUS MECANISMOS

• Baseado em troca rápida de estados de atividade e cochilo

• Simples por só ter dois modos de operação

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• É modelado baseado em duas métricas-chave, economia de energia e impacto no tempo de resposta

• O modelo tem como objetivo:- Visualizar o comportamento do PowerNap- Verificar requerimentos para futuras implementações- Contrastar PowerNap e DVFS

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• É modelado como uma fila M/G/1 com taxa de chegada λ e tempo de serviço com distribuição E[S]

• Utilização média do servidor é dada porρ = E[S]

• As transições entre estados são simétrica e duram Tt

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• A energia média gasta é dada porPavg = Pnap · Fnap + Pmax(1 − Fnap)

• DVFS é modelado, para efeito de comparação, pela fórmulaPavg = Pmax(1 − FCPU )

• Onde FCPU é o total da energia do sistema que é afetado pelo DVFS

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• Os modelos analíticos ficam assim:

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• Comparação entre os modelos - energia

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• DVFS é melhor com FCPU alto, mas a situação típica é o DVFS ser entre 20% e 40%

• Nessa situação, o PowerNap é melhor com tempos de transição médio e baixo

• Mesmo com tempo de transição alto, o PowerNap economiza energia com baixos valores de carga

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• Comparação entre os modelos – tempo de resposta relativo

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• Ganho de energia em traces de carga de trabalho, resultados através de simulações, com Tt=10ms e FCPU=25%

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• Através do modelo, os requerimentos do PowerNap são:

- Transições rápidas entre estados- Baixo consumo no estado de cochilo

• O PowerNap requer suporte ao estado de cochilo em todo componente que o consumo no estado de espera seja significante, e software que identifique e maximize períodos de espera e gerencie transições

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• Maioria dos mecanismos de hardware que o PowerNap precisa já existem

ComponenteEnergia (Watts) Transição

(μs)Mecanismo necessárioAtivo Espera Cochilo

CPU 80 – 150 12 – 20 3,4 30 APCI S3 “Sleep” State

Memória 3,5 – 5 1,8 – 2,5 0,2 < 1 Self-refresh

Interface de rede 0,7 0,3 0,3 - Wake-on-LAN

Disco 1 0,4 0,4 - Solid State Disks

Cooler 10 – 15 1 – 3 - IndependenteVelocidade Variável

de Operação

Fonte de energia 50 – 60 25 – 35 0,5 300 RAILS

Servidor Típico 450 270 10,4 300

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RAILS

• A conversão AC/DC em unidades de fornecimento de energia causa grande perda de energia, sendo assim um tópico importante de estudo

• Soluções existentes para fornecimento econômico de energia são inadequados para o PowerNap

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RAILS

• É proposto o RAILS, que:- Provê alta eficiência na conversão com a demanda do PowerNap- Tem redundância N+1- Tem tolerância a falhas através do graceful degradation da capacidade computacional- Tem baixo custo

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RAILS

• Fontes de energia são insuficientes com baixa carga no sistema

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RAILS

• Dois fatores fazem os servidores operarem frequentemente nas regiões vermelha e amarela:

-Servidores são altamente configuráveis, logo as fontes são designadas para as configurações mais extremas- Unidades de fornecimento dos servidores são configurados com redundância dupla (2N), ou seja, duas vezes o necessário no pior caso

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RAILS

• Há várias iniciativas existentes para aumentar a eficiência de unidades de fornecimento de energia, entre eles certificação 80+ e distribuição dinâmica da carga, mas nenhum deles tem a eficiência e o baixo custo requeridos pelo PowerNap

• RAILS consiste no uso de um conjunto de várias fontes de energia pequenas e comerciais

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RAILS

• As fontes são arranjadas da seguinte forma:

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RAILS

• Um circuito de controle monitora e controla as fontes para certificar que a carga é dividida igualmente entre elas

• RAILS desabilita e isola eletricamente unidades que não são necessárias para fornecer energia para a carga atual

• São selecionadas fontes com altas vendas no mercado e baixo custo

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RAILS

• O número de fontes que é selecionado na unidade tem que satisfazer duas condições:

- Uma única fonte tem que estar operando na região verde enquanto todas as outras estão cochilando- Quando há a necessidade de ligar alguma fonte, a carga é distribuída uniformemente de modo que todos continuem operando na região verde

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RAILS

• O mecanismo é avaliado através do custo, densidade e economia de energia

• RAILS é comparada com outras propostas: normal, 80+ e distribuição dinâmica

• Para essa comparação, são utilizadas 4 fontes de 2250W para outros sistemas e 17 fontes de 500W para o RAILS

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RAILS

• Fontes para servidor são vendidos em menor número que fontes comuns, logo tem preços maiores

• O uso de fontes comuns ATX faz o preço do RAILS ser bem menor

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RAILS

• O espaço usado pelas fontes (“densidade de energia”) é um fator importante em servidores

• Apesar do número de fontes ser maior no RAILS, o tamanho delas é menor

• A densidade (em Watt/volume) no RAILS é de 1000 para fontes ATX, enquanto em um servidor comum é de 1187 (16% de aumento)

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RAILS

• Comparação de economia de energia dos mecanismos

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CONCLUSÃO

• Foi apresentado o PowerNap, método que elimina a energia gasta no estado de espera em servidores através de transições rápidas entre estados de atividade e cochilo

• Foi feito um modelo analítico para comparar com o DVFS e demonstrar que o PowerNaptem maior economia

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CONCLUSÃO

• Pela necessidade de economia em unidades de fornecimento de energia necessária para o PowerNap, é apresentado o RAILS

• RAILS se baseia em baixo custo, alta economia de energia e boa tolerância a falhas

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