[论文解读] Towards Energy-Proportional Computing Using Subsystem-Level Power Management

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

Cloud Computing and Resource Management参考文献 16被引用 5

一句话总结

本文通过使用英特尔的RAPL接口，在企业级服务器工作负载中研究了能量成比例计算。通过分析SPECpower_ssj2008和SPECweb2009基准测试，表明在核心级别实施功耗限制可实现高达15%的节能效果，同时提升能量比例性，尤其针对非比例性的未核心（uncore）组件效果显著。

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.

研究动机与目标

• 评估利用英特尔RAPL功耗限制接口在企业级服务器工作负载中实现能量比例性的可行性。
• 分析在不同利用率水平下，各个子系统（核心、未核心、封装、DRAM）的功耗特性。
• 评估基于RAPL的功耗限制对性能、能效以及瞬时功耗行为的影响。
• 识别提升数据中心工作负载能量比例性的最优功耗管理策略。

提出的方法

• 利用英特尔的运行平均功耗限制（RAPL）接口，在核心、封装和DRAM子系统级别实现功耗监控与控制。
• 在多个负载水平下，对SPECpower_ssj2008和SPECweb2009基准测试执行实验，以测量平均功耗和瞬时功耗特性。
• 校准输入参数（如SPECpower中的批处理大小），以评估其对功耗的影响。
• 通过RAPL接口使用片上能效计，实现约1毫秒分辨率的功耗跟踪和确定性功耗限制。
• 在不同RAPL功耗限制下测量性能、功耗和能效，以评估权衡关系。
• 分析SPECweb的网络带宽累积分布函数（CDF），以表征工作负载强度。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于RAPL的功耗限制能否提升企业服务器工作负载（如SPECpower_ssj2008和SPECweb2009）的能量比例性？
• RQ2 各个子系统（核心、未核心、DRAM、封装）的功耗特性如何随工作负载利用率变化？
• RQ3 功耗限制对企业基准测试的性能、平均功耗和能效有何影响？
• RQ4 哪个子系统最具有能量比例性，哪个最不具备？何处存在最大的节能潜力？
• RQ5 SPECpower中的批处理大小是否显著影响功耗？能否用于功耗管理？

主要发现

• 核心子系统最具能量比例性，而未核心子系统能量比例性最差，亟需更优的功耗管理机制。
• 在核心级别实施功耗限制是提升能效和实现能量比例性的最有效策略。
• 未核心子系统无论利用率如何均保持恒定功耗，是提升能量比例性的首要目标。
• 基于RAPL的功耗限制在企业工作负载中实现了高达15%的节能，且性能下降不显著。
• SPECpower中的批处理大小对功耗影响极小或可忽略，表明仅靠批处理无法实现节能。
• SPECweb在13,000 SUS时为网络密集型，80%的时间内消耗超过80%的峰值带宽，导致该负载水平以上难以进一步扩展。