CC BY
68
УДК 004.051
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ АППАРАТНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ
К. М. Ханкин
ASSESSMENT OF ACPI IMPACT ON PERFORMANCE AND POWER USAGE
K.M. Khankin
Приведены результаты экспериментов по оценке влияния аппаратной технологии энергосбережения ACPI и других энергосберегающих технологий на потребление электроэнергии при различных нагрузках и на производительность.
Ключевые слова: ACPI, энергопотребление, энергосбережение.
Assessment of the ACPI technology impact on power usage and performance with various workload experiment results are given in this article.
Keywords: ACPI, power usage, power saving.
Введение
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.
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-
Ханкин Константин Михайлович - аспирант кафедры электронных вычислительных машин, Южно-Уральский государственный университет; [email protected]
Khankin Konstantin Michayilovich - post-graduate student of Electronic Computers Department, South Ural State University; [email protected]
К. М. Ханкин
яснить возможность и границы использования технологии АСР1 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 2t ч на мощности 0^ 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 АСР1 и на работу аппаратной составляющей системы без загрузки операционной системы.
Для эксперимента была выбрана серверная платформа Ше1 85500БС 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 94x97 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
Время, с
I Эксперим
Эксперимент 2 1
Эксперимент 3 1
Эксперимент 4 1
Эксперимент 5 I
Результаты экспериментов
160
150
140
130
Б 120
100
90
80
226
Вестник ЮУрГУ, № 23, 2012
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.
Литература
1. Высокопроизводительный вычислительный кластер Infinity. - http://www2.susu.ac.ru/ru/science/ nauka/klaster. shtml
2. Производительность суперкомпьютера «СКИФ-Аврора ЮУрГУ» вырастет более чем в 4 раза до 104 TFLOPS, а система жидкостного охлаждения станет универсальной. - http://www.rsc-skif.ru/Home/novosti/proizvoditelnostsuperkomputera %C2%ABskif-avrorauurgu%C2%BBvyrastetboleecemv 4razado104tflopsasistemazidkostnogoohlazdeniastane tuniversalnoj
3. Windows XP and Advanced Power Management (APM) Support. - http://support.microsoft.com/ kb/307525/en-us?fr=1
4. Advanced Configuration and Power Interface Specification. - http://www.acpi.info/DOWNLOADS/ ACPIspec40a.pdf
Поступила в редакцию 27 июня 2012 г.
