超級計算機系統(tǒng)實時節(jié)能控制技術(shù)的理論與實踐分析

趙 靜

(陜西財經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽，712000)

0 引言

近幾年來，能源危機日益嚴(yán)重，創(chuàng)造低碳環(huán)保的生活環(huán)境，對社會的可持續(xù)發(fā)展非常重要。計算機的生產(chǎn)廠商，其新產(chǎn)品的設(shè)計出發(fā)點也是節(jié)能環(huán)保，這對計算機占據(jù)“節(jié)能、環(huán)保、省電”的市場非常重要。計算機能耗的增加主要表現(xiàn)在CPU 能耗的不斷增加，其頻率越來越高，功耗也越來越高；內(nèi)存和其功耗的增加以及芯片能耗的增加，計算機系統(tǒng)的能耗也在不斷增加。

1 超級計算機系統(tǒng)實時節(jié)能控制技術(shù)的理論

計算機服務(wù)器節(jié)能技術(shù)的研究主要在芯片技能技術(shù)、基礎(chǔ)架構(gòu)節(jié)能技術(shù)和系統(tǒng)級節(jié)能技術(shù)三個方面。

1.1 芯片級節(jié)能技術(shù)

芯片級節(jié)能技術(shù)主要體現(xiàn)在CPU 功耗控制、CPU 頻率調(diào)整、芯片級冷卻技術(shù)、低功耗專用芯片部件等。一方面，隨著CPU 加工工藝的改善和提升，提高了CPU 的性能，同時CPU 的主板芯片組耗能也降低了；另一方面，CPU 的動態(tài)功耗通過降低頻率和電壓也降低了。比如在CPU 耗能控制這方面，Intel 的動態(tài)功耗節(jié)點管理器和BIOS、OSPM 相互協(xié)作，調(diào)整其平臺的動態(tài)消耗，可以實現(xiàn)功耗和服務(wù)器性能的最大化。

1.2 基礎(chǔ)架構(gòu)級節(jié)能技術(shù)

基礎(chǔ)架構(gòu)級節(jié)能技術(shù)有很多種，主要包括高效能散熱冷卻技術(shù)、存儲制冷、液冷技術(shù)、高效能電源等多種技術(shù)。高效能散熱冷卻技術(shù)的研究主要有提高散熱方式的效率和提高冷卻設(shè)備的性能，比如IBM 的機房冷卻系統(tǒng)和HP PARSEC 體系結(jié)構(gòu)（Parallel Redundant Scalable Enterprise Cooling）等。存儲制冷是指基于設(shè)備的儲存能力，部分制冷能力由制冷設(shè)備儲存，在有需要的時侯再有效釋放，和電池的儲存電能相類似，比如IBM 的機房冷卻方案就是基于存儲冷卻技術(shù)。液冷技術(shù)包括兩項技術(shù)，分別為水冷和液態(tài)金屬制冷。夜冷技術(shù)的應(yīng)用越來越普遍，是因為其導(dǎo)熱能力和熱容非常強大，由緩解負(fù)載突變所造成的散熱壓力能更快的緩解并且吸收的熱量更多，比如IBM Cool Blue 機柜系統(tǒng)。

1.3 系統(tǒng)級節(jié)能技術(shù)

系統(tǒng)級節(jié)能技術(shù)包括面向能耗的進程及作業(yè)級遷移和基于作業(yè)調(diào)度的機群節(jié)點休眠等。降低功耗方面，除了上面所提到的CPU 工作頻率調(diào)整和功耗控制、芯片級冷卻、低功耗專用芯片、液體冷卻等技術(shù)，還包括研究正熱的系統(tǒng)級節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)品，主要包括基于負(fù)載情況隨時動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)狀態(tài)、部分節(jié)點或者是部件的實施休眠；根據(jù)每個進程能耗的不同來調(diào)整CPU 任務(wù)隊列，比如說如果一些任務(wù)產(chǎn)生的熱量比較多，就可以將它遷移，從溫度高的CPU 上到溫度低的CPU 上。比如自適應(yīng)功耗管理系統(tǒng)，它是由國家高性能計算機工程技術(shù)研究中心開發(fā)，其作業(yè)調(diào)度策略可以根據(jù)能效實現(xiàn)。

從實際上說，超級計算機節(jié)能的基礎(chǔ)是芯片級節(jié)能，超級計算機節(jié)能的保障是基礎(chǔ)架構(gòu)級節(jié)能，超級計算機節(jié)能的根本是系統(tǒng)級節(jié)能，最本質(zhì)和有效的節(jié)能方式是系統(tǒng)級節(jié)能。但是系統(tǒng)節(jié)能的技術(shù)難度比較大，其主要解決兩個問題，即計算機資源共享的實時任務(wù)執(zhí)行概率問題和節(jié)點機的切入和切出的安全系統(tǒng)問題。

2 超級計算機系統(tǒng)實時任務(wù)的執(zhí)行概率問題

2.1 計算機資源共享實時任務(wù)的執(zhí)行概率

計算機實時任務(wù)以共享網(wǎng)絡(luò)為應(yīng)用環(huán)境。共享網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)具有分布系統(tǒng)的特征，利用互聯(lián)設(shè)備以及通信協(xié)議二者，將分散的資源連接整合形成一個整體。共享網(wǎng)絡(luò)中的資源主要包括存儲資源（Memory Resource）、網(wǎng)絡(luò)帶寬（Network Bandwidth）、計算資源（Computing Resource）分別用M，B，C 來表示。為了避免資源耗盡造成的任務(wù)終止問題，一般情況下，采取的預(yù)防措施為保留部分資源，并且要限定各種資源的最高利用率U。在本文中，分別用Um，Ub，Uc來表示上面所敘述的三類資源的最高利用率。

實時任務(wù)Ti的描述的關(guān)鍵參數(shù)包括達到時刻、開始執(zhí)行時刻、執(zhí)行結(jié)束時刻、任務(wù)周期、執(zhí)行時限，它們分別用ai、ri、fi、pi、di表示，其通式為：

Ti=（ai，ri，fi，pi，di）

由實時任務(wù)的特點，可以知道：

執(zhí)行延時即Delay Time：DTi=ri-ai；

執(zhí)行時間即Executive Time：ETi=fi-ri

對于實時任務(wù)集{Ti} 來說，每個任務(wù)的周期都不一樣，所以超周期就是計算每個任務(wù)周期的最小公倍數(shù)，用LCM(p1,p2,...,pn)表示。在超周期內(nèi)，某個任務(wù)的實際執(zhí)行次數(shù)為Ni=LCM(p1,p2,...,pn)/pi，i=1,2,3,...,n。

共享資源中的網(wǎng)絡(luò)資源使用方式為非獨占方式，所以提供給實時任務(wù)使用的只能為資源可用余量。在系統(tǒng)的運行狀態(tài)下，資源可用余量是關(guān)于時間的函數(shù)，記作x*(t)。實時任務(wù)在執(zhí)行過程中需要的資源量不是固定的，而是變化的，記作XT(t)。

2.2 實時任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)可執(zhí)行條件

（1）實時任務(wù)（集）可執(zhí)行的必要條件：

第一個定理 在實時任務(wù)（集）執(zhí)行的整個過程中，共享網(wǎng)絡(luò)能夠提供的資源余量不論在任何時刻一定要滿足實時任務(wù)（集）對資源的需求，也就是說實時任務(wù)（集）可執(zhí)行的必要條件是資源必須充足，供等于或者是大于等需，滿足下列不等式成立：

T 代表實時任務(wù)（集）執(zhí)行完任務(wù)需要的時間，一般為很多個超周期。

（2）實時任務(wù)可執(zhí)行的充分條件

第二個定理 實時任務(wù)（集）可執(zhí)行的充分條件就是ETi必須滿足di的要求，其中ETi代表執(zhí)行時間，di代表執(zhí)行時限。

具體說來，如果實時任務(wù)集{Ti}的時限di大于等于pi，并且實時任務(wù)所有的起始時間都是0，則實時任務(wù)集的可執(zhí)行充分條件就是，在一個超周期中，所有執(zhí)行過的實時任務(wù)的累加時間和小于超周期的時間，即充分條件為：

或是

在上式（1）和（2）中，ETi代表實時任務(wù)（集）中一個任務(wù)的執(zhí)行時間的和，它由tci、tbi、tmi三者構(gòu)，分別代表計算執(zhí)行時間、傳輸時間、存儲時間。三者的處理可以重疊，但是最壞的情況為串行疊加，即：ETi小于等于 tci、tmi、tbi三者之和。

2.3 共享網(wǎng)絡(luò)中實時任務(wù)的可執(zhí)行概率的確定

網(wǎng)絡(luò)實時任務(wù)的可執(zhí)行概率就是說在用戶的一定范圍內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)中實時任務(wù)的請求被執(zhí)行的概率。實時任務(wù)的共享網(wǎng)絡(luò)可執(zhí)行概率的確定，必須要考慮實時任務(wù)網(wǎng)絡(luò)可執(zhí)行的充分條件和必要條件，其必要條件為，在某一時刻中，資源余量要大于網(wǎng)絡(luò)實時任務(wù)所需要的需要量的總和，但是只是滿足其必要條件并不能夠保障執(zhí)行實時任務(wù)。只滿足資源需求，有可能網(wǎng)絡(luò)的處理速度達不到要求，如網(wǎng)絡(luò)的存儲器讀寫速度、網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度、計算速度慢等。因此，要想完成實時任務(wù)還必須滿足其充分條件。如果網(wǎng)絡(luò)實時任務(wù)能夠增加任意的約束條件，網(wǎng)絡(luò)實時任務(wù)可執(zhí)行的概率就是其可執(zhí)行的充要條件。

3 超級計算機節(jié)點機切入和切出的系統(tǒng)安全問題

圖1 超級計算機系統(tǒng)二級集中控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

超級計算機系統(tǒng)一般采用的控制機制為分級集中控制，常見的有二級控制和三級控制，二級控制為類陣列節(jié)點機局控和總控，三級控制就是將總控和局控之間的類陣列控按照機柜分成若干個，即為機柜控，本文分析討論的為二級控制，其控制的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，如圖1 所示。

根據(jù)用戶的服務(wù)要求，超級計算機系統(tǒng)總控系統(tǒng)先檢測系統(tǒng)的在線實際可用的共享資源，然后留有一定的余量，最后才會進行安全節(jié)能決策。其決策主要包括：節(jié)點機的調(diào)頻調(diào)壓、喚醒切入、休眠切出和服務(wù)節(jié)點機用戶任務(wù)的接納控制。節(jié)能安全決策的具體過程如2 所示。

由上圖2 可知，節(jié)點機的喚醒切入和休眠切出都有一個最佳的時間，即這類命令的執(zhí)行一般都在被控陣列機處于“暫停狀態(tài)（最佳是初態(tài)）”。因此，完成執(zhí)行的時延包括執(zhí)行本身的時延和最大等待時延兩項。

圖2 超級計算機系統(tǒng)節(jié)能控制安全決策過程圖

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