PowerNap: Eliminating Server Idle Power

Transcrição

1 1 PowerNap: Eliminating Server Idle Power David Meisner, Brian T. Gold e Thomas F. Wenisch Clayton Reis da Silva creis@ic.uff.br Apresentação para a disciplina Sistemas de Tempo Real e Embarcados Mestrado em Ciência da Computação 28 de junho de 2010

2 AGENDA 2 Introdução (1) Utilização do Servidor (2) PowerNap e seus mecanismos (3, 4) RAILS (5) Conclusão (6)

3 INTRODUÇÃO 3 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%

4 INTRODUÇÃO 4 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

5 INTRODUÇÃO 5 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

6 INTRODUÇÃO 6 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 Load Sharing), que tem como objetivo diminuir consumo do circuito alimentador do servidor

7 UTILIZAÇÃO DO SERVIDOR 7 Utilização de servidores é baixa, principalmente em serviços interativos

8 UTILIZAÇÃO DO SERVIDOR 8 Servidores são extremamente ineficientes em baixo níveis de carga Processadores correspondem a uma pequena parcela do consumo de energia

9 UTILIZAÇÃO DO SERVIDOR 9 Servidores tem baixa utilização, mas suas atividades ocorrem em pequenas rajadas Assim, parecem estar sempre com uma pequena carga contínua

10 POWERNAP E SEUS MECANISMOS 10 Baseado em troca rápida de estados de atividade e cochilo Simples por só ter dois modos de operação

11 POWERNAP E SEUS MECANISMOS 11 É modelado baseado em duas métricaschave, 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

12 POWERNAP E SEUS MECANISMOS 12 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 por ρ = E[S] As transições entre estados são simétrica e duram Tt

13 POWERNAP E SEUS MECANISMOS 13 A energia média gasta é dada por Pavg = Pnap Fnap + Pmax(1 Fnap) DVFS é modelado, para efeito de comparação, pela fórmula Pavg = Pmax(1 FCPU ) Onde FCPU é o total da energia do sistema que é afetado pelo DVFS

14 POWERNAP E SEUS MECANISMOS 14 Os modelos analíticos ficam assim:

15 POWERNAP E SEUS MECANISMOS 15 Comparação entre os modelos - energia

16 POWERNAP E SEUS MECANISMOS 16 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

17 POWERNAP E SEUS MECANISMOS 17 Comparação entre os modelos tempo de resposta relativo

18 POWERNAP E SEUS MECANISMOS 18 Ganho de energia em traces de carga de trabalho, resultados através de simulações, com Tt=10ms e FCPU=25%

19 POWERNAP E SEUS MECANISMOS 19 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

20 POWERNAP E SEUS MECANISMOS 20 Maioria dos mecanismos de hardware que o PowerNap precisa já existem Componente Energia (Watts) Ativo Espera Cochilo Transição (μs) Mecanismo necessário CPU ,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 Independente Velocidade Variável de Operação Fonte de energia ,5 300 RAILS Servidor Típico ,4 300

21 RAILS 21 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

22 RAILS 22 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

23 RAILS 23 Fontes de energia são insuficientes com baixa carga no sistema

24 RAILS 24 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

25 RAILS 25 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

26 RAILS 26 As fontes são arranjadas da seguinte forma:

27 RAILS 27 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

28 RAILS 28 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

29 RAILS 29 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

30 RAILS 30 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

31 RAILS 31 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)

32 RAILS 32 Comparação de economia de energia dos mecanismos

33 CONCLUSÃO 33 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 PowerNap tem maior economia

34 CONCLUSÃO 34 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

35 35 PowerNap: Eliminating Server Idle Power David Meisner, Brian T. Gold e Thomas F. Wenisch Clayton Reis da Silva creis@ic.uff.br Apresentação para a disciplina Sistemas de Tempo Real e Embarcados Mestrado em Ciência da Computação 28 de junho de 2010