對于嵌入式開發(fā)者來說，如何在低功耗和高性能之間取得平衡，是一項艱巨而持久的工作。而電源管理和工作負(fù)載整合兩種技術(shù)的誕生，正是為了幫助供應(yīng)商解決這些困難與挑戰(zhàn)。

通過基于策略性的電源管理和動態(tài)遷移來降低能耗

根據(jù)國際能源機構(gòu)（IEA）最新的報告數(shù)據(jù)來看，能源消耗正在穩(wěn)步上升并且在未來的一段時間仍會持續(xù)增長。該報告還預(yù)估，到2015年，全球的能源消耗每年將以2.5%的速度增長，其中礦物能源消耗占據(jù)了主導(dǎo)地位。增長的部分主要來自于發(fā)展中國家生活方式的改變，而世界第一產(chǎn)業(yè)將持續(xù)為全球能源消耗的日益減少做出貢獻(xiàn)。

業(yè)界領(lǐng)先的電信運營商年報顯示，電信業(yè)的能源消耗持續(xù)增加，并出現(xiàn)在一些國家能源消耗大戶的名單上。因為這些運營商持續(xù)的引入復(fù)雜的信息和通信技術(shù)，導(dǎo)致外圍硬件設(shè)備的需求數(shù)量劇增，因此對能源的需求也隨之增加，進(jìn)而導(dǎo)致二氧化碳排放量的增加，同時能耗的成本也隨之上升。但是運營商長期的財務(wù)壓力，勢必要求在降低能耗支出，同時滿足企業(yè)的社會責(zé)任需求和/或符合相應(yīng)的法律法規(guī)。但是數(shù)據(jù)處理以及傳輸速率的提高，需要更多的通信設(shè)備來支持，這反過來又?jǐn)U大了電信業(yè)的總體功耗。

為了獲得可持續(xù)的發(fā)展，電信運營商及設(shè)備提供商開始逐漸意識到并加強電源管理技術(shù)的投入，通過重點開發(fā)能源效率計劃，實現(xiàn)節(jié)能減排。部署于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的AdvancedTCA®（ATCA）機箱，在其整個生命周期中，大部分二氧化碳排放主要來自于機箱本身的性能需要以及冷卻散熱的需求。功耗則主要來自于運營階段，在此階段的二氧化碳排放量占整個產(chǎn)品生命周期總排放量的80%左右。運營階段中的三個層次（輔助設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和能量轉(zhuǎn)換）將消耗能量，同時也是可以管理的部分。通過對相關(guān)技術(shù)的掌握，我們可以實現(xiàn)能耗的管理。

圖1.僅有36%的能量消耗來自于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如服務(wù)器、存儲設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)裝置，其中大部分的能量直接轉(zhuǎn)化為熱能，大約只有2.4%的能量是有效輸出。如今，供應(yīng)商所提供的基于ATCA架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都采用了提升能源效率的解決方案，可以大幅節(jié)約輔助設(shè)備及電源轉(zhuǎn)換過程中的能耗。

合理的設(shè)計對于散熱管理非常重要，通過降低CPU的利用率，電源輸出隨之減少，進(jìn)而降低機房內(nèi)的散熱需求。最終既降低了二氧化碳的排放，又減少了因散熱產(chǎn)生的能源消耗成本。

電源管理的理念和技術(shù)

對于設(shè)備本身而言，也有一些設(shè)計理念可以用來幫助減少能耗。其中最為大家熟知的就是處理器級動態(tài)電源管理技術(shù)，這使得設(shè)備或系統(tǒng)可以被設(shè)置成不同的工作模式，如：性能/按需/節(jié)能/緊急。通過這項技術(shù)，可以對處理器進(jìn)行動態(tài)電壓調(diào)節(jié)和動態(tài)頻率調(diào)節(jié)，從而進(jìn)行有效的電源管理。通過動態(tài)電壓調(diào)節(jié)和動態(tài)頻率調(diào)節(jié)，處理器的核心電壓、時鐘頻率或者兩者都可以減小以降低能耗，同時還能滿足系統(tǒng)的性能所需。功耗限制功能可以讓系統(tǒng)或組件保持其能耗使用峰值在設(shè)定的數(shù)值范圍內(nèi)（此數(shù)值通常根據(jù)實際的服務(wù)模式下的策略而定），如CPU使用率的原始數(shù)據(jù)、并發(fā)會話數(shù)量等等。

ATCA機箱級的電源管理策略包含了用于負(fù)載整合的虛擬化動態(tài)遷移，此策略可以降低能耗和相關(guān)的成本/費用。服務(wù)器管理員可以借助動態(tài)遷移將一個正在運行的虛擬設(shè)備（VM）或應(yīng)用在兩個不同的物理設(shè)備間遷移，且不會斷開與客戶端的鏈接或應(yīng)用。動態(tài)遷移最典型的一個應(yīng)用就是云計算中的資源管理。電信運營商擁有的成千上萬個虛擬設(shè)備（VM）都運行在其數(shù)據(jù)中心，為了節(jié)約能源和成本、負(fù)載均衡，這些電信運營商可以利用動態(tài)遷移對虛擬設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)移，而無需中斷運行在這些虛擬設(shè)備中的客戶應(yīng)用程序。

實時遷移的配置策略可以基于能耗感知的遷移模式和/或負(fù)載調(diào)度的模式而定，這取決于首要目的是節(jié)能還是優(yōu)質(zhì)的服務(wù)品質(zhì)。實時遷移節(jié)能的關(guān)鍵是有效地對服務(wù)進(jìn)行打包并提供給更少的物理服務(wù)器，物理服務(wù)器數(shù)量的減少意味著對電力能源的需求就會減少，所產(chǎn)生的熱量也隨之減少，從而實現(xiàn)節(jié)能的最終目的。

雖然實時虛擬設(shè)備遷移具有諸多益處，如資源（CPU，內(nèi)存等）的分配和能耗感知的整合，但是虛擬設(shè)備的遷移本身也需要消耗額外的能量。曾經(jīng)有一篇關(guān)于虛擬設(shè)備實時遷移的性能和能量模式的文章，發(fā)表在第20屆高性能分布式計算國際研討會會議論文集上，該篇文章講述了一個測試方法，用來測試實時遷移的功耗。結(jié)果顯示，當(dāng)部署了能耗感知以及服務(wù)器整合模型后，實時遷移所消耗的能量大幅減少。這種模式引導(dǎo)的決策，大幅減少了72.9%的遷移成本，并且節(jié)能73.6%。

配置和控制管理策略

以電信行業(yè)為例，現(xiàn)今的ATCA機箱通常包括一組高品質(zhì)的電源模塊以及智能風(fēng)扇系統(tǒng)，可以用來控制溫度輸出和功耗。我們使用一個典型的ATCA機箱來做相關(guān)的測試，通過自動調(diào)整策略（根據(jù)周圍的溫度來決定風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速），風(fēng)扇（整個機箱的1/8）的功耗可以減少40%。

對于機箱剩余的7/8部分，可以通過嵌入式軟件設(shè)置每個刀片上的CPU、內(nèi)存以及其他設(shè)備的頻率和工作模式，從而實現(xiàn)動態(tài)電源管理和/或功耗限定。通過智能固件和軟件層面的控制部署電源管理策略，可以大幅減少能耗。

從系統(tǒng)管理的角度來看，當(dāng)系統(tǒng)的工作負(fù)載運行在滿負(fù)荷水平之下時，就可以按既定策略實現(xiàn)動態(tài)電源管理。同時在峰值期間也可以使用動態(tài)電源管理以減少功耗。然而，當(dāng)功耗（能量）節(jié)約模式啟用時，處理器頻率將降低，從而影響工作負(fù)載的性能和吞吐量。

功耗限定功能可以通過顯示器或制動器的內(nèi)部或外部處理實現(xiàn)。制動器可以提升處理器的電壓或提升處理器/內(nèi)存的頻率。制動器也可以“抑制”處理器，即通過注入死循環(huán)來延遲對指令的處理。當(dāng)功耗限定達(dá)到時以及限定技術(shù)啟用時，工作負(fù)載的性能可能會受到影響。

嵌入式電源管理軟件

電源管理軟件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由多個系統(tǒng)守護進(jìn)程的組件構(gòu)成，其中每個組件都會管理一個刀片，和一個客戶端組件。

圖2：嵌入式電源管理的基本組件

客戶端代表電源管理系統(tǒng)搜集與電源有關(guān)的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)守護進(jìn)程是加載在每一個刀片上的應(yīng)用，扮演者電源管理模塊的角色。它提供了CPU、內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)絡(luò)和虛擬化的工作方法以及功耗限定等功能，在滿足性能需求的前提下盡量降低功耗。實際的管理端可以運行在臺式機或者筆記本上，通過整合并顯示輸出機箱、板卡和傳感器（如溫度）等實際功耗的信息。

圖3：功耗限定功能實例

主動電源管理

通過策略的配置，將ATCA刀片上CPU的工作模式切換至節(jié)能或主動電源管理模式后，每個刀片的功耗相比持續(xù)運行在性能模式下減少15%（參見圖4和圖5）。每片板卡在加載服務(wù)的情況下可以節(jié)約0.4KW的功耗（參見圖5）。如果一個14槽的ATCA機框中使用了10個刀片，那每天節(jié)約的功耗大約4KW。

圖４＆５：CPU在三種獨立模式下的功耗比較

動態(tài)遷移

減少功耗的另一個非常有效的方法就是只使用必要的設(shè)備來處理相關(guān)事件。利用Erlang概率分布算法（圖表6）可以有效檢測出使用率較低的時段。

圖6：Erlang概率分布算法在電信網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)測中的實例

通過上面的圖表我們可以了解到，1點至7點期間的CPU使用率最低，然而，即使運行在省電模式下，每片板卡仍然在消耗電能。在這種情況下，每片板卡在主動電源管理的策略下會消耗90W的功耗，峰值性能時會上升至140W。解決的辦法就是利用實時遷移策略，用最少的CPU刀片在處理這些工作負(fù)載，同時將節(jié)能模式下的刀片切換到睡眠模式，這樣相比主動電源管理的模式可以節(jié)約超過25%的功耗。

通過工作負(fù)載整合提升系統(tǒng)性能

在工作負(fù)載和I/O處理方面，目前的市場和技術(shù)發(fā)展趨勢比較傾向采用將傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)整合到一個通用平臺或模塊化的組件上來，以支持多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和提供不同的服務(wù)功能，如應(yīng)用處理、控制處理、包處理和信號處理功能等。處理器架構(gòu)以及新的軟件開發(fā)工具的功能提升，讓開發(fā)人員可以很容易的將工作負(fù)載整合到統(tǒng)一的刀片架構(gòu)中，這些負(fù)載包含了應(yīng)用、控制以及包處理等。通過軟硬件的整合，可以大幅度提升性能，并使得刀片式服務(wù)器架構(gòu)在包處理解決方案中的應(yīng)用大幅增加。

為了說明工作負(fù)載整合的演變，我們設(shè)計了一系列的測試方法。這些測試方法是在單一平臺中，通過將CPU制造商提供的DPDK整合到ATCA處理器刀片上，以此驗證處理器刀片提供的性能以及整合的IP轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)。比較在沒有使用Intel®DPDK做任何優(yōu)化時，采用原生Linux（NativeLinux）IP轉(zhuǎn)發(fā)時的第三層轉(zhuǎn)發(fā)性能。然后，我們再分析采用Intel®DPDK技術(shù)之后所獲得的IP轉(zhuǎn)發(fā)性能提升的原因。

數(shù)據(jù)平面開發(fā)套件

DPDK（DataPlaneDevelopmentKit，數(shù)據(jù)平面開發(fā)套件）是一個專為x86架構(gòu)處理器提供的輕量級運行環(huán)境。它提供了低功耗和Run-to-Completion(RTC，運行到完成)模式，以此最大限度的提升數(shù)據(jù)包的處理性能。而且DPDK還包含了優(yōu)化的和高效的函數(shù)庫，為用戶提供豐富的選擇，例如我們熟知的環(huán)境抽象層（EAL，EnvironmentAbstractionLayer）,它負(fù)責(zé)控制低級資源并提供優(yōu)化的輪詢模式驅(qū)動(PMD，PollModeDriver)，以及更高級別應(yīng)用的完整API接口，圖7為軟件層級結(jié)構(gòu)圖。

圖7：Linux應(yīng)用環(huán)境下的EAL和GLIBC

測試拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了測量ATCA處理器刀片在第三層處理和轉(zhuǎn)發(fā)IP包的速度，我們使用圖8中所示的環(huán)境進(jìn)行測試。

圖8：IP轉(zhuǎn)發(fā)測試環(huán)境

我們的測試使用了ATCA處理器刀片的2個10GbE外部接口和兩個10GbEFabric接口（總計40G），通過比較使用和未使用DPDK的結(jié)果，我們可以得出結(jié)論：在相同的硬件平臺下，使用DPDK后的Linux僅用兩個CPU線程進(jìn)行IP轉(zhuǎn)發(fā)的性能，與原生Linux（NativeLinux）使用全部的CPU線程進(jìn)行IP轉(zhuǎn)發(fā)的性能相比，前者是后者的10倍。使用DPDK的平臺，3層小數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)線速可以達(dá)到>70%。DPDK中優(yōu)化過的軟件堆?？梢詫崿F(xiàn)10倍性能的提升。如果在一個基于IA架構(gòu)的刀片的控制層和數(shù)據(jù)層配備DPDK，就可以減少一個40G的NPU刀片。通常一個40G的GPU刀片的功耗為180W，因此通過工作負(fù)載整合可以節(jié)省56%的能耗。

從圖9可以看出，搭配DPDK后的處理器刀片的IPv4轉(zhuǎn)發(fā)性能，可以讓客戶以更好的性價比成本，將包處理應(yīng)用從基于硬件的網(wǎng)絡(luò)處理器移植到基于x86的計算平臺，同時使用同一個平臺來部署不同的服務(wù)，如程序處理、控制處理和包處理服務(wù)。更多關(guān)于我們的測試過程和結(jié)果，請登錄凌華科技網(wǎng)站www.adlinktech.com查詢凌華科技的技術(shù)白皮書：采用Intel®DPDK技術(shù)的凌華科技aTCA-6200刀片式服務(wù)器完美實現(xiàn)包轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)性能的提升。

圖9：采用4個10GbE的IP轉(zhuǎn)發(fā)性能比較

結(jié)論

目前有很多途徑可以優(yōu)化多板卡/多處理器系統(tǒng)的電源使用及效率。我們已經(jīng)看到了使用嵌入式電源管理、整合嵌入式電源管理的動態(tài)遷移以及優(yōu)化吞吐量的工作負(fù)載整合等方法的可能性。由于每個系統(tǒng)的配置和對工作負(fù)載的需求都不盡相同，因此沒有一個絕對的解決辦法。對于每一個方案，都需要仔細(xì)選擇適合的技術(shù)和策略，以滿足預(yù)期的吞吐量和功耗。

在未來，隨著每個系統(tǒng)的功耗密度（瓦/立方英寸）的持續(xù)增加，必然對散熱和運營的花費造成一定的影響，因此電源管理對于電信運營商而言將仍舊是一個需要重視的問題。

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