對(duì)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(xiàng)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(dòng)態(tài)遷移來降低能耗

根據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)（IEA）最新的報(bào)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(shí)間仍會(huì)持續(xù)增長。該報(bào)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(yùn)營商年報(bào)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?yàn)檫@些運(yùn)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(duì)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(shí)能耗的成本也隨之上升。但是運(yùn)營商長期的財(cái)務(wù)壓力，勢必要求在降低能耗支出，同時(shí)滿足企業(yè)的社會(huì)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(yùn)營商及設(shè)備提供商開始逐漸意識(shí)到并加強(qiáng)電源管理技術(shù)的投入，通過重點(diǎn)開發(fā)能源效率計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。部署于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的AdvancedTCA®（ATCA）機(jī)箱，在其整個(gè)生命周期中，大部分二氧化碳排放主要來自于機(jī)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(yùn)營階段，在此階段的二氧化碳排放量占整個(gè)產(chǎn)品生命周期總排放量的80%左右。運(yùn)營階段中的三個(gè)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(shí)也是可以管理的部分。通過對(duì)相關(guān)技術(shù)的掌握，我們可以實(shí)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(chǔ)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(jì)對(duì)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(jī)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(duì)于設(shè)備本身而言，也有一些設(shè)計(jì)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(jí)動(dòng)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(xiàng)技術(shù)，可以對(duì)處理器進(jìn)行動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)和動(dòng)態(tài)頻率調(diào)節(jié)，從而進(jìn)行有效的電源管理。通過動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)和動(dòng)態(tài)頻率調(diào)節(jié)，處理器的核心電壓、時(shí)鐘頻率或者兩者都可以減小以降低能耗，同時(shí)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(shí)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(huì)話數(shù)量等等。

ATCA機(jī)箱級(jí)的電源管理策略包含了用于負(fù)載整合的虛擬化動(dòng)態(tài)遷移，此策略可以降低能耗和相關(guān)的成本/費(fèi)用。服務(wù)器管理員可以借助動(dòng)態(tài)遷移將一個(gè)正在運(yùn)行的虛擬設(shè)備（VM）或應(yīng)用在兩個(gè)不同的物理設(shè)備間遷移，且不會(huì)斷開與客戶端的鏈接或應(yīng)用。動(dòng)態(tài)遷移最典型的一個(gè)應(yīng)用就是云計(jì)算中的資源管理。電信運(yùn)營商擁有的成千上萬個(gè)虛擬設(shè)備（VM）都運(yùn)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(yùn)營商可以利用動(dòng)態(tài)遷移對(duì)虛擬設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)移，而無需中斷運(yùn)行在這些虛擬設(shè)備中的客戶應(yīng)用程序。

實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)遷移節(jié)能的關(guān)鍵是有效地對(duì)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(duì)電力能源的需求就會(huì)減少，所產(chǎn)生的熱量也隨之減少，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的最終目的。

雖然實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(jì)算國際研討會(huì)會(huì)議論文集上，該篇文章講述了一個(gè)測試方法，用來測試實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(jī)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(gè)典型的ATCA機(jī)箱來做相關(guān)的測試，通過自動(dòng)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(gè)機(jī)箱的1/8）的功耗可以減少40%。

對(duì)于機(jī)箱剩余的7/8部分，可以通過嵌入式軟件設(shè)置每個(gè)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(shí)現(xiàn)動(dòng)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(yùn)行在滿負(fù)荷水平之下時(shí)，就可以按既定策略實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電源管理。同時(shí)在峰值期間也可以使用動(dòng)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(shí)，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(dòng)器的內(nèi)部或外部處理實(shí)現(xiàn)。制動(dòng)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(dòng)器也可以“抑制”處理器，即通過注入死循環(huán)來延遲對(duì)指令的處理。當(dāng)功耗限定達(dá)到時(shí)以及限定技術(shù)啟用時(shí)，工作負(fù)載的性能可能會(huì)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(gè)系統(tǒng)守護(hù)進(jìn)程的組件構(gòu)成，其中每個(gè)組件都會(huì)管理一個(gè)刀片，和一個(gè)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(hù)進(jìn)程是加載在每一個(gè)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(shí)際的管理端可以運(yùn)行在臺(tái)式機(jī)或者筆記本上，通過整合并顯示輸出機(jī)箱、板卡和傳感器（如溫度）等實(shí)際功耗的信息。

圖3：功耗限定功能實(shí)例

主動(dòng)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(dòng)電源管理模式后，每個(gè)刀片的功耗相比持續(xù)運(yùn)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(gè)14槽的ATCA機(jī)框中使用了10個(gè)刀片，那每天節(jié)約的功耗大約4KW。

圖４＆５：CPU在三種獨(dú)立模式下的功耗比較

動(dòng)態(tài)遷移

減少功耗的另一個(gè)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(shí)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(shí)例

通過上面的圖表我們可以了解到，1點(diǎn)至7點(diǎn)期間的CPU使用率最低，然而，即使運(yùn)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(dòng)電源管理的策略下會(huì)消耗90W的功耗，峰值性能時(shí)會(huì)上升至140W。解決的辦法就是利用實(shí)時(shí)遷移策略，用最少的CPU刀片在處理這些工作負(fù)載，同時(shí)將節(jié)能模式下的刀片切換到睡眠模式，這樣相比主動(dòng)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(gè)通用平臺(tái)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(hào)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?cè)O(shè)計(jì)了一系列的測試方法。這些測試方法是在單一平臺(tái)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(yàn)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(shí)，采用原生Linux（NativeLinux）IP轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)的第三層轉(zhuǎn)發(fā)性能。然后，我們?cè)俜治霾捎肐ntel®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(gè)專為x86架構(gòu)處理器提供的輕量級(jí)運(yùn)行環(huán)境。它提供了低功耗和Run-to-Completion(RTC，運(yùn)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(jí)資源并提供優(yōu)化的輪詢模式驅(qū)動(dòng)(PMD，PollModeDriver)，以及更高級(jí)別應(yīng)用的完整API接口，圖7為軟件層級(jí)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(gè)10GbE外部接口和兩個(gè)10GbEFabric接口（總計(jì)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(tái)下，使用DPDK后的Linux僅用兩個(gè)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(tái)，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)化過的軟件堆棧可以實(shí)現(xiàn)10倍性能的提升。如果在一個(gè)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(gè)40G的NPU刀片。通常一個(gè)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(jià)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(jì)算平臺(tái)，同時(shí)使用同一個(gè)平臺(tái)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(qǐng)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(shí)現(xiàn)包轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)性能的提升。

圖9：采用4個(gè)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(dòng)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(gè)系統(tǒng)的配置和對(duì)工作負(fù)載的需求都不盡相同，因此沒有一個(gè)絕對(duì)的解決辦法。對(duì)于每一個(gè)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(gè)系統(tǒng)的功耗密度（瓦/立方英寸）的持續(xù)增加，必然對(duì)散熱和運(yùn)營的花費(fèi)造成一定的影響，因此電源管理對(duì)于電信運(yùn)營商而言將仍舊是一個(gè)需要重視的問題。

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