一種結合溫度感知的計算機節能方法及系統的製作方法
2023-06-02 10:59:56
一種結合溫度感知的計算機節能方法及系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種結合溫度感知的計算機節能方法及系統，本發明涉及網際網路數據中心中，以節能為目的，設計和實現一種控制CPU工作狀態的方法。該方法包括獲取時間T內該計算機運行固定工作負載的總能耗，該總能耗包括該計算機的計算能耗與根據該溫度獲取的製冷能耗，其中在該時間T內，將該計算機的CPU在時間t內置於休眠狀態，及將該CPU在工作狀態下的頻率置於滿足該固定工作負載的最低頻率；增加該時間t並循環執行該步驟1，直到該CPU在該工作狀態下的頻率達到100％，選擇該總能耗最低的負載策略為最優負載策略，用於該計算機實際運行時節能。本發明能夠有效降低計算機或數據中心伺服器的計算能耗和製冷能耗。
【專利說明】一種結合溫度感知的計算機節能方法及系統
【技術領域】
[0001]本發明針對網際網路數據中心中，以節能為目的，設計和實現一種控制CPU工作狀態的方法，以兩個參數作為衡量，對數據中心功耗進行優化。
【背景技術】
[0002]隨著網際網路的逐漸興起，數據中心的計算性能越來越強，同時其能源的消耗也越來越受到人們的重視，對於整個計算機網絡，可進行節能改進的地方很多，由於計算機中CPU的功耗開銷佔整個計算機的主要部分，計算機功耗的變化主要由CPU功耗的變化引起。所以主要討論CPU節能的部分。
[0003]在微觀硬體層面:隨著當代數據中心計算機對性能需求的逐漸提升，對於計算機內部CPU運算能力的需求也越來越高。然而由於受到集成電路製造工藝和半導體矽物理特性的影響，以及CPU體系結構等原因的限制，在逐漸趨向於多核、體系結構以及異構設計，由於低參數工藝帶來的單位面積功耗過高以及封裝上面帶來的困難，近幾年晶片低功耗設計的考量在晶片體系結構設計時也越來越受到重視，總體來說硬體層面在節能方面的改進相對固定，可調節性不高，一般只能通過對計算機或CPU平臺架構的更新換代來進行改進。
[0004]在微觀軟體層面:對於單臺伺服器，它所提供的性能要滿足其上運行的任務最大需求，然而數據中心並不是一直處在對性能要求最高的狀態，因此在一段時間之中，伺服器CPU的實際平均利用率並不高，造成了實際上性能的大量浪費，另外，不同類型的任務對CPU性能需求的差異很大，比如在做矩陣乘法時，任務對於計算機內存性能的瓶頸先於CPU的瓶頸到達，所以CPU的使用率並不高，由於這一特性，在數據中心中每一臺伺服器上，在不降低在其上運行的進程對性能要求的前提下，當伺服器運行時的性能高於在其上運行的任務所需要的性能時，通過ACPI的硬體接口的控制，通過對CPU降壓/降頻(DVFS技術)，可以在降低多餘性能的同時降低CPU的功耗，若在一段較長的時間內CPU處於空閒idle狀態，則可將CPU置於睡眠模式，直到任務到來，基於這兩種方式的節能，均是在不影響性能的前提下通過動態電源的管理實現功耗的降低，目前行業主要實現策略有兩種:1、基於計算功耗控制參數制定調節策略；2、基於溫度控制參數制定調節策略，總體上來說，數據中心功耗的開銷主要為伺服器和空調的功耗，伺服器功耗的可調節部分主要為CPU、內存、風扇等，其中CPU的可調節性最高；同時，考慮到大氣溫度的不可控性，因此空調的製冷功耗的降低與伺服器整體的溫度狀態直接相關。
[0005]在當前數據中心中對功耗降低的方法通常是將宏觀和微觀相結合，通過改進數據中心的網際網路拓撲結構，合理控制帶寬和分配資源，虛擬機分配和調度算法的設計，將數據中心的負載均衡化，將網絡中性能功耗比不高的節點關閉，將數據中心的負載合理化可以較為顯著地降低數據中心的計算功耗，目前在虛擬機調度算法設計方面，主要集中在以數據中心中伺服器整體的計算功耗最低作為算法優化的衡量標準，或者以溫度作為參考，衡量數據中心空調製冷功耗的降低的貢獻，使得數據中心的計算功耗降至理論上的最低，然而對於上述的當前技術，在相應的策略定製時，只是單純考慮到宏觀虛擬機調度和微觀調節在計算功耗降低上的貢獻，並沒有考慮相應策略設計時對機房溫度的影響，然而維持機房溫度穩定的製冷功耗通常佔數據中心中總功耗比例的第二位，如圖1所示，大型數據中心中在空調製冷的功耗可達到數據中心整體功耗開銷的40%，所以單純考慮計算功耗定製的策略，可能會引起數據中心的空調製冷功耗與伺服器計算功耗之和總體上的變化並未達到最優，因此，在數據中心節能算法設計中，也需要在計算機節能選擇策略時將伺服器計算功耗與製冷功耗結合起來加以考慮。
[0006]發明專利「一種基於負載統計的計算機節能的方法」公開了一種基於負載統計的計算機節能的方法，系統結構包括:負載分析單元(I)，策略生成單元(2)，系統定時任務
(3)，系統降頻接口(4)，作業系統通過對一段時間內的系統負載進行統計分析，通過降低系統低負載時計算機CPU的頻率及啟動作業系統定時任務功能，實現在特定時間段內讓CPU處於低頻率下運行，從而達到延長計算機部件壽命，降低計算機能耗，但是該發明也以負載統計的方法預測計算機負載，區別是其策略生成仍只是單純考慮計算功耗的影響，未將溫度作考慮。
【發明內容】
[0007]針對現有技術不足，本發明設計一種微觀上軟體的調節方法，在面對不同負載時，在節能策略方法上考慮對空調製冷功耗和計算機計算功耗的共同影響，使得計算機在數據中心中不同負載情況下，製冷功耗和計算功耗之和降到最低，數據中心整體的性能功耗比達到最優，其中包括線下測量的數據收集，製冷功耗模型的建立，最優策略集的選取。
[0008]本發明提出一種結合溫度感知的計算機節能方法，包括:
[0009]步驟1，獲取時間T內該計算機運行固定工作負載的總能耗，該總能耗包括該計算機的計算能耗與根據該溫度獲取的製冷能耗，其中在該時間T內，將該計算機的CPU在時間t內置於休眠狀態，及將該CPU在工作狀態下的頻率置於滿足該固定工作負載的最低頻率；
[0010]步驟2，增加該時間t並循環執行該步驟1，直到該CPU在該工作狀態下的頻率達到100%，選擇該總能耗最低的負載策略為最優負載策略，用於該計算機實際運行時節能。
[0011]所述的結合溫度感知的計算機節能方法，還包括，獲取該計算機的最大性能，將該計算機的最大性能平均分為多個檔位作為工作負載檔位，遍歷該工作負載檔位並執行該步驟2，生成最優負載策略集。
[0012]所述的結合溫度感知的計算機節能方法，還包括，該計算機在實際運行時，將實際工作負載與該工作負載檔位進行匹配，並從該最優負載策略集中選取與該實際工作負載相對應的該最優負載策略，以完成該計算機節能。
[0013]所述的結合溫度感知的計算機節能方法，該步驟I中該時間T為I秒，該時間t為
0.01 秒。
[0014]所述的結合溫度感知的計算機節能方法，該步驟2中增加該時間t的增量為一個時間t。
[0015]本發明還提供一種結合溫度感知的計算機節能系統，包括:
[0016]獲取計算機總能耗模塊，用於獲取時間T內該計算機運行固定工作負載的總能耗，該總能耗包括該計算機的計算能耗與根據該溫度獲取的製冷能耗，其中在該時間T內，將該計算機的CPU在時間t內置於休眠狀態，及將該CPU在工作狀態下的頻率置於滿足該固定工作負載的最低頻率；
[0017]選取最優負載策略模塊，用於增加該時間t並循環執行該獲取計算機總能耗模塊，直到該CPU在該工作狀態下的頻率達到100%，選擇該總能耗最低的負載策略為最優負載策略。
[0018]所述的結合溫度感知的計算機節能系統，還包括生成最優負載策略集模塊，用於獲取該計算機的最大性能，將該計算機的最大性能平均分為多個檔位作為工作負載檔位，遍歷該工作負載檔位並執行該選取最優負載策略模塊，生成最優負載策略集。
[0019]所述的結合溫度感知的計算機節能系統，還包括，匹配模塊，用於該計算機在實際運行時，將實際工作負載與該工作負載檔位進行匹配，並從該最優負載策略集中選取與該實際工作負載相對應的該最優負載策略，以完成該計算機節能。
[0020]所述的結合溫度感知的計算機節能系統，該時間T為I秒，該時間t為0.01秒。
[0021]所述的結合溫度感知的計算機節能系統，該選取最優負載策略模塊中增加該時間t的增量為一個時間t。
[0022]由以上方案可知，本發明的優點在於:考慮到計算機外部受溫度影響的製冷功耗的開銷，本發明將溫度作為考慮的參數引入到數據中心的節點級伺服器節能中，使溫度感知節能在更低的層級節能上做考慮，在討論單個伺服器的功耗時，整合了計算功耗和製冷功耗，尤其在數據中心整體功耗節省問題上，本發明與基於溫度感知的宏觀調度在彼此的兩個層次可構成很好的聯結與互補。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為數據中心能源消耗比例圖；
[0024]圖2為運用睡眠模式策略圖；
[0025]圖3為功耗策略算法流程圖；
[0026]圖4為功耗管理模塊軟體設計架構圖；
[0027]圖5為選擇功耗管理示意圖。
[0028]圖6為CPU在不同頻率下100%使用率時溫度、電壓、功率統計表。
[0029]其中附圖標記為:
[0030]步驟100為本發明功耗策略算法步驟，包括:
[0031]步驟101/102/103/104/105 ；
[0032]步驟200為功耗策略詳細步驟，包括:
[0033]步驟201/202/203/204/205/206/207/208/209/210/211/212 ；
[0034]步驟300為選擇負載策略步驟，包括:
[0035]步驟301/302/303。
【具體實施方式】
[0036]對於每一種型號的計算機，最優節能策略選取方法為:在線下對伺服器進行不同負載的測試，記錄測試時滿足負載條件時的調節策略，記錄相應參數，如電壓、頻率、溫度等，調節的方式有DVFS (動態電壓頻率調節)，以及DCS (動態開關核)，當CPU負載較輕時，可以通過DVFS (動態電壓頻率調節)，將CPU的電壓調低，同時會使CPU工作頻率降低，根據CPU的功耗與其工作電壓和頻率的關係，當電壓降低時，CPU的功耗會降低，而同時，電壓的降低也會引起溫度的降低，當運用DVFS (動態電壓頻率調節)技術將CPU降頻時，如圖6所示，以Xeon E5-2620低功耗晶片為例，CPU工作在1.2GHz時的計算功耗比2.0GHz時降低了36%，溫度降低5?TC。關於DCS(動態開關核)的實現上，可分為兩種方式，傳統調節思路與DVFS (動態電壓頻率調節)類似，即根據負載的變化，動態地調節CPU中開啟和關閉的核心的數量，以達到控制CPU功耗的目的。
[0037]本發明使用的方法為:當CPU在一段時間內利用率較低時，將這段時間分割成均勻的幾小段時間，如圖2所示，設動態地將CPU整體在每一小段時間內，根據CPU利用率的信息將其在一個合理的時間間隔內置入Sleep Mode (睡眠模式)狀態，如圖2所示，其中E為分割的成小段時間數量的倒數，將CPU置於Sle印Mode (睡眠模式)的時刻可以在DVFS (動態電壓頻率調節)的基礎上，降低計算機整體30%以上的計算功耗，在Sleep Mode (睡眠模式)時，可以將片外溫度視為室內溫度，通過DCS (動態開關核)和DVFS (動態電壓頻率調節)結合的聯合調節，在制定節能策略時同時考慮不同策略情形下對計算機的計算功耗和由其溫度引起的製冷功耗，使計算功耗和製冷功耗均達到最低。
[0038]通過監測在一個調節策略下CPU的當前電壓和工藝型號，可以計算出CPU的計算功耗，通過監控當前CPU片內和片外溫度以及相關參數，可以推算估計在此情況下空調保持一個恆定溫度時的運行功率，根據機房的規模和空調的規模，依據已有的經驗數據推算單個伺服器在對應不同策略的選取上時，對應空調製冷功耗的貢獻模型，記錄不同策略下單臺伺服器不同策略下的CPU引發的計算功功耗和製冷功耗，篩選出最優策略集。
[0039]本發明的總體流程包括:獲取時間T內該計算機運行固定工作負載的總能耗，該總能耗包括該計算機的計算能耗與根據該溫度獲取的製冷能耗，其中在該時間T內，將該計算機的CPU在時間t內置於休眠狀態，及將該CPU在工作狀態下的頻率置於滿足該固定工作負載的最低頻率，該時間T為I秒，該時間t為0.01秒；增加該時間t並循環執行以上步驟，直到該CPU在該工作狀態下的頻率達到100%，選擇該總能耗最低的負載策略為最優負載策略，用於該計算機實際運行時節能，增加該時間t的增量為一個時間t;獲取該計算機的最大性能，將該計算機的最大性能平均分為多個檔位作為工作負載檔位，遍歷該工作負載檔位並找出每個工作負載檔位的最優負載策略，生成最優負載策略集；該計算機在實際運行時，將實際工作負載與該工作負載檔位進行匹配，並從該最優負載策略集中選取與該實際工作負載相對應的該最優負載策略，以完成該計算機節能。
[0040]以下為本發明【具體實施方式】:
[0041]對計算機進行測試，首先測量計算機的佔用率為100%時的性能，以MIPS (Mill1n Instruct1ns Per Second每秒處理百萬級的機器語言指令數)作為衡量指標，根據性能的最大值將CPU測試時的工作負載均勻分成N個檔位(該檔位的多少取決於計算機或伺服器的性能，可以為100?1000，或更多，也可更少，本發明不做限定)，其中包括CPU佔用率為0%和100%時，在每一個固定的檔位時，監測CPU的溫度、電壓、頻率、計算功耗等參數，同時在計算機外部測量計算機的整體功耗變化，通過對機房溫度和空調功耗的統計數據，推算出在此溫度下的數據中心製冷功耗。(例:CPU在一個固定負載下時，設此時CPU利用率為a，設定在時間段I秒內，通過調用接口，在(a-b)秒的時間內，將CPU運行的現場數據掛起到內存，即置於睡眠模式狀態，其中b為狀態轉換時引起的額外性能損失的補償因子，通過引入補償因子，可以保證計算機在引入Sle印Mode(睡眠模式)之後，對相應負載下的工作性能不受影響，在I秒中的(Ι-a)秒的時間裡，令CPU處於頻率較高的狀態，考慮到在伺服器實際運行的情形，需要開啟DVFS (動態電壓頻率調節)以適應變化較為劇烈的情形以作為緩衝。分別監測CPU在活躍和睡眠時的溫度和計算功耗，計算在I秒的時間內，平均的計算功耗和溫度。)
[0042]監測並記錄CPU在不同頻率下使用率從O %變化到100%時，CPU的計算功耗、溫度、電壓和頻率這些數據，並測量不同頻率、不同CPU佔用率下CPU的MIPS(每秒處理百萬級的機器語言指令數)。
[0043]對於一個固定負載的情形，假設在此負載下CPU利用率為a，保持CPU處於活躍狀態，首先對CPU進行降頻，降低到使其滿足任務對性能的需求的最低頻率，計算此狀態下I秒內的計算功耗和製冷功耗，在這一負載下，如果CPU在降頻之後仍滿足負載對性能(MIPS)的需求，設步長C，單位為秒，c為衡量調節睡眠模式時間精細程度的度量參數，假設c = 0.01秒，則在測試性能時，CPU在睡眠狀態的時間每次增加0.01秒，按步長c將CPU的狀態置於睡眠模式，在(Ι-c)秒內置於活躍狀態，並在活躍狀態時，開啟DVFS(動態電壓頻率調節)，將CPU進行降頻，直到滿足任務需求的最低頻率，記錄在Is內的計算功耗和製冷功耗，判斷在此狀態下CPU性能是否滿足負載的需求，若滿足，則Sleep Mode (睡眠模式)時間增加C，將CPU在(cX2)秒內置於Sle印Mode (睡眠模式)，在(l_cX2)秒內置於活躍狀態，開啟DVFS (動態電壓頻率調節)，將CPU頻率置於滿足負載需求的最低頻率下，計算在Is內活躍狀態和Sleep Mode (睡眠模式)下平均的計算功耗和製冷功耗，判斷在此狀態下CPU提供的性能是否滿足負載的需求，持續上述的循環過程，逐漸增加Sle印Mode (睡眠模式)的時間，同時記錄並計算不同狀態下的CPU的計算功耗和製冷功耗，直到到達一個狀態，這時，再增加Sleep Mode (睡眠模式)時間時，CPU在活躍狀態所能提供的性能在CPU處於活躍狀態的時間之內無法滿足負載需求為止。此時，返回，將負載檔位+1。
[0044]通過上述過程得到CPU在固定負載情況下、不同策略下的一系列計算功耗和製冷功耗，將在這個固定負載下的策略能源消耗狀態進行統計，選擇整體消耗能源最少的策略為最優的策略。
[0045]遍歷N個負載檔位不同策略下的功耗的關係，可以得到在不同負載情形下的負載與整體功耗的關係，選擇不同負載檔位下消耗能源最少的策略集，結束線下的測試統計，將得到的策略集作為這一型號的伺服器在數據中心應對不同負載狀態時的能源管理策略。
[0046]在得到能源管理策略集之後，在伺服器實際工作時，通過監控程序將數據類型採集，通過對前一段時間內採集的歷史數據分析，對未來負載情況進行預測，通過根據預測的負載選擇相應的功耗管理策略，對硬體接口的控制，達到優化計算功耗和製冷功耗的策略。
[0047]以下為本發明功耗策略算法流程，如圖3所示，執行步驟101計算各狀態下CPU的計算功耗和溫度，執行步驟102根據溫度計算得到空調製冷功耗，執行步驟103記錄同一負載不同策略下的計算能耗和製冷能耗的和，執行步驟104將記錄的功耗排序，記錄最優策略，執行步驟105記錄不同負載情況下的最優策略。
[0048]以下為本發明詳細流程，如圖4所示，執行步驟201清空伺服器負載，執行步驟202負載檔位加1，執行步驟203CPU利用率分析，執行步驟204CPU保持工作狀態，開啟動態電壓頻率調節，睡眠模式的時間等於零，執行步驟205獲取此狀態下CPU的計算功耗和溫度，執行步驟206CPU是否工作在最高頻，如果否，則執行步驟207睡眠模式的時間加C，在時間片段內的c時間段將CPU置於睡眠，繼續執行步驟208CPU處於工作狀態時將頻率設為最高，並開啟動態電壓頻率調節，繼續執行步驟209獲取此狀態下CPU的計算功耗和溫度，繼續執行步驟210此時策略是否滿足負載需求，如果是，則從執行步驟206開始執行，如果否，則執行步驟211當前負載檔位是否為最高，如果是，則執行步驟212結束，如果否，則執行步驟202負載檔位加1，當執行步驟206時，如果CPU在高頻，則執行步驟211。
[0049]以下為本發明在計算機或伺服器實際工作的整體流程，如圖5所示，執行步驟301進行數據採集，執行步驟302生成最優負載策略集，執行步驟303通過接口控制，控制CPU按照選取的最優負載策略運行。
[0050]本發明包括以下模塊:
[0051]獲取計算機總能耗模塊，用於獲取時間T內該計算機運行固定工作負載的總能耗，該總能耗包括該計算機的計算能耗與根據該溫度獲取的製冷能耗，其中在該時間T內，將該計算機的CPU在時間t內置於休眠狀態，及將該CPU在工作狀態下的頻率置於滿足該固定工作負載的最低頻率，該時間T為I秒，該時間t為0.01秒；
[0052]選取最優負載策略模塊，用於增加該時間t並循環執行該獲取計算機總能耗模塊，直到該CPU在該工作狀態下的頻率達到100%，選擇該總能耗最低的負載策略為最優負載策略，增加該時間t的增量為一個時間t。
[0053]生成最優負載策略集模塊，用於獲取該計算機的最大性能，將該計算機的最大性能平均分為多個檔位作為工作負載檔位，遍歷該工作負載檔位並執行該選取最優負載策略模塊，生成最優負載策略集。
[0054]匹配模塊，用於該計算機在實際運行時，將實際工作負載與該工作負載檔位進行匹配，並從該最優負載策略集中選取與該實際工作負載相對應的該最優負載策略，以完成該計算機節能。
【權利要求】
1.一種結合溫度感知的計算機節能方法，其特徵在於，包括: 步驟1，獲取時間T內該計算機運行固定工作負載的總能耗，該總能耗包括該計算機的計算能耗與根據該溫度獲取的製冷能耗，其中在該時間T內，將該計算機的CPU在時間t內置於休眠狀態，及將該CPU在工作狀態下的頻率置於滿足該固定工作負載的最低頻率； 步驟2，增加該時間t並循環執行該步驟1，直到該CPU在該工作狀態下的頻率達到100%，選擇該總能耗最低的負載策略為最優負載策略，用於該計算機實際運行時節能。
2.如權利要求1所述的結合溫度感知的計算機節能方法，其特徵在於，還包括，獲取該計算機的最大性能，將該計算機的最大性能平均分為多個檔位作為工作負載檔位，遍歷該工作負載檔位並執行該步驟2，生成最優負載策略集。
3.如權利要求1或2所述的結合溫度感知的計算機節能方法,其特徵在於,還包括,該計算機在實際運行時，將實際工作負載與該工作負載檔位進行匹配，並從該最優負載策略集中選取與該實際工作負載相對應的該最優負載策略，以完成該計算機節能。
4.如權利要求1所述的結合溫度感知的計算機節能方法，其特徵在於，該步驟I中該時間T為I秒，該時間t為0.01秒。
5.如權利要求1所述的結合溫度感知的計算機節能方法，其特徵在於，該步驟2中增加該時間t的增量為一個時間t。
6.一種結合溫度感知的計算機節能系統，其特徵在於，包括: 獲取計算機總能耗模塊，用於獲取時間T內該計算機運行固定工作負載的總能耗，該總能耗包括該計算機的計算能耗與根據該溫度獲取的製冷能耗，其中在該時間T內，將該計算機的CPU在時間t內置於休眠狀態，及將該CPU在工作狀態下的頻率置於滿足該固定工作負載的最低頻率； 選取最優負載策略模塊，用於增加該時間t並循環執行該獲取計算機總能耗模塊，直到該CPU在該工作狀態下的頻率達到100%，選擇該總能耗最低的負載策略為最優負載策略。
7.如權利要求6所述的結合溫度感知的計算機節能系統，其特徵在於，還包括生成最優負載策略集模塊，用於獲取該計算機的最大性能，將該計算機的最大性能平均分為多個檔位作為工作負載檔位，遍歷該工作負載檔位並執行該選取最優負載策略模塊，生成最優負載策略集。
8.如權利要求6或7所述的結合溫度感知的計算機節能系統，其特徵在於，還包括，匹配模塊，用於該計算機在實際運行時，將實際工作負載與該工作負載檔位進行匹配，並從該最優負載策略集中選取與該實際工作負載相對應的該最優負載策略，以完成該計算機節倉泛。
9.如權利要求6所述的結合溫度感知的計算機節能系統，其特徵在於，該時間T為I秒，該時間t為0.01秒。
10.如權利要求6所述的結合溫度感知的計算機節能系統，其特徵在於，該選取最優負載策略模塊中增加該時間t的增量為一個時間t。
【文檔編號】G06F1/32GK104049716SQ201410242539
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月3日 優先權日:2014年6月3日
【發明者】魏天宇, 孫毓忠 申請人:中國科學院計算技術研究所