[논문 리뷰] Towards Energy-Proportional Computing Using Subsystem-Level Power Management

Balaji Subramaniam, Wu-chun Feng|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 12.

Cloud Computing and Resource Management참고 문헌 16인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 Intel의 RAPL 인터페이스를 사용하여 기업 서버 워크로드에서 에너지 비례 계산을 조사한다. SPECpower_ssj2008 및 SPECweb2009 벤치마크를 분석함으로써 코어 수준에서의 전력 제한이 에너지 비례성 향상에 기여하면서 최대 15%의 에너지 절감을 이룰 수 있음을 입증한다. 특히 비비례하지 않는 언코어 구성 요소에 초점을 맞출 경우 더욱 효과적이다.

ABSTRACT

Massive data centers housing thousands of computing nodes have become commonplace in enterprise computing, and the power consumption of such data centers is growing at an unprecedented rate. Adding to the problem is the inability of the servers to exhibit energy proportionality, i.e., provide energy-efficient execution under all levels of utilization, which diminishes the overall energy efficiency of the data center. It is imperative that we realize effective strategies to control the power consumption of the server and improve the energy efficiency of data centers. With the advent of Intel Sandy Bridge processors, we have the ability to specify a limit on power consumption during runtime, which creates opportunities to design new power-management techniques for enterprise workloads and make the systems that they run on more energy-proportional. In this paper, we investigate whether it is possible to achieve energy proportionality for enterprise-class server workloads, namely SPECpower_ssj2008 and SPECweb2009 benchmarks, by using Intel's Running Average Power Limit (RAPL) interfaces. First, we analyze the average power consumption of the full system as well as the subsystems and describe the energy proportionality of these components. We then characterize the instantaneous power profile of these benchmarks within different subsystems using the on-chip energy meters exposed via the RAPL interfaces. Finally, we present the effects of power limiting on the energy proportionality, performance, power and energy efficiency of enterprise-class server workloads. Our observations and results shed light on the efficacy of the RAPL interfaces and provide guidance for designing power-management techniques for enterprise-class workloads.

연구 동기 및 목표

• Intel의 RAPL 전력 제한 인터페이스를 사용하여 기업용 서버 워크로드에서 에너지 비례성 달성을 위한 가능성을 평가하는 것.
• 다양한 활용도 수준에서 개별 서브시스템(코어, 언코어, 패키지, DRAM)의 전력 소비 프로파일을 분석하는 것.
• RAPL 기반 전력 제한이 성능, 에너지 효율성, 순순간 전력 행동에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 데이터센터 워크로드에서 에너지 비례성을 향상시키기 위한 최적의 전력 관리 전략을 규명하는 것.

제안 방법

• 코어, 패키지, DRAM 서브시스템 수준에서 전력 소비를 모니터링하고 제어하기 위해 Intel의 Running Average Power Limit (RAPL) 인터페이스를 활용하였다.
• 다양한 부하 수준에서 SPECpower_ssj2008 및 SPECweb2009 벤치마크를 대상으로 평균 및 순순간 전력 프로파일을 측정하기 위해 실험을 수행하였다.
• 전력 소비에 미치는 영향을 평가하기 위해 SPECpower에서 배치 크기와 같은 입력 매개변수를 校정하였다.
• 고해상도(≈1 ms) 전력 추적과 결정론적 전력 제한을 위해 RAPL을 통한 온칩 에너지 미터를 활용하였다.
• 다양한 RAPL 전력 제한 하에서 성능, 전력, 에너지 효율성을 측정하여 상호 교환 관계를 평가하였다.
• SPECweb의 네트워크 대역폭 누적분포함수(CDF)를 분석하여 워크로드 강도를 특성화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RAPL 기반 전력 제한은 SPECpower_ssj2008 및 SPECweb2009과 같은 기업 서버 워크로드에서 에너지 비례성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 워크로드 활용도 변화에 따라 개별 서브시스템(코어, 언코어, DRAM, 패키지)의 전력 소비 프로파일은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 전력 제한이 기업 벤치마크의 성능, 평균 전력, 에너지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 가장 및 가장 에너지 비례성이 떨어지는 서브시스템은 각각 어디이며, 전력 절감 잠재력이 가장 큰 곳은 어디인가?
• RQ5 SPECpower의 배치 크기는 전력 소비에 상당한 영향을 미치는가, 그리고 전력 관리에 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 코어 서브시스템은 가장 에너지 비례성이 높으며, 언코어 서브시스템은 가장 낮은 에너지 비례성을 보이며 더 나은 전력 관리 메커니즘이 필요하다.
• 코어 수준에서의 전력 제한이 에너지 효율성 향상과 에너지 비례성 달성에 가장 효과적인 전략이다.
• 언코어 서브시스템은 활용도와 관계없이 일정한 전력을 소비하므로, 에너지 비례성 향상의 주요 대상이 된다.
• RAPL 기반 전력 제한을 통해 성능 저하 없이 기업 워크로드에서 최대 15%의 에너지 절감을 달성하였다.
• SPECpower의 배치 크기는 전력 소비에 미미하거나 영향을 주지 않으며, 이는 단순한 배치만으로는 전력 절감이 불가능함을 시사한다.
• SPECweb은 13,000 SUS에서 네트워크 집약적 워크로드를 보이며, 시간의 80% 동안 최대 대역폭의 80% 이상을 소비하여 이 부하 수준 이상의 확장성에 제약이 있다.