通過(guò)電源管理和工作負載整合，大幅提升電信業(yè)務(wù)處理性能

對于嵌入式開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，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載整合兩種技術(shù)的誕生，正是為了幫助供應商解決這些困難與挑戰。

通過(guò)基于策略性的電源管理和動(dòng)態(tài)遷移來(lái)降低能耗

根據國際能源機構(IEA)最新的報告數據來(lái)看，能源消耗正在穩步上升并且在未來(lái)的一段時(shí)間仍會(huì )持續增長(cháng)。該報告還預估，到2015年，全球的能源消耗每年將以2.5%的速度增長(cháng)，其中礦物能源消耗占據了主導地位。增長(cháng)的部分主要來(lái)自于發(fā)展中國家生活方式的改變，而世界第一產(chǎn)業(yè)將持續為全球能源消耗的日益減少做出貢獻。

業(yè)界領(lǐng)先的電信運營(yíng)商年報顯示，電信業(yè)的能源消耗持續增加，并出現在一些國家能源消耗大戶(hù)的名單上。因為這些運營(yíng)商持續的引入復雜的信息和通信技術(shù)，導致外圍硬件設備的需求數量劇增，因此對能源的需求也隨之增加，進(jìn)而導致二氧化碳排放量的增加，同時(shí)能耗的成本也隨之上升。但是運營(yíng)商長(cháng)期的財務(wù)壓力，勢必要求在降低能耗支出，同時(shí)滿(mǎn)足企業(yè)的社會(huì )責任需求和/或符合相應的法律法規。但是數據處理以及傳輸速率的提高，需要更多的通信設備來(lái)支持，這反過(guò)來(lái)又擴大了電信業(yè)的總體功耗。

為了獲得可持續的發(fā)展，電信運營(yíng)商及設備提供商開(kāi)始逐漸意識到并加強電源管理技術(shù)的投入，通過(guò)重點(diǎn)開(kāi)發(fā)能源效率計劃，實(shí)現節能減排。部署于網(wǎng)絡(luò )系統中的AdvancedTCA®(ATCA)機箱，在其整個(gè)生命周期中，大部分二氧化碳排放主要來(lái)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(lái)自于運營(yíng)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。運營(yíng)階段中的三個(gè)層次(輔助設備、網(wǎng)絡(luò )設備和能量轉換)將消耗能量，同時(shí)也是可以管理的部分。通過(guò)對相關(guān)技術(shù)的掌握，我們可以實(shí)現能耗的管理。

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

合理的設計對于散熱管理非常重要，通過(guò)降低CPU的利用率，電源輸出隨之減少，進(jìn)而降低機房?jì)鹊纳嵝枨?。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)

對于設備本身而言，也有一些設計理念可以用來(lái)幫助減少能耗。其中最為大家熟知的就是處理器級動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)，這使得設備或系統可以被設置成不同的工作模式，如：性能/按需/節能/緊急。通過(guò)這項技術(shù)，可以對處理器進(jìn)行動(dòng)態(tài)電壓調節和動(dòng)態(tài)頻率調節，從而進(jìn)行有效的電源管理。通過(guò)動(dòng)態(tài)電壓調節和動(dòng)態(tài)頻率調節，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(mǎn)足系統的性能所需。功耗限制功能可以讓系統或組件保持其能耗使用峰值在設定的數值范圍內(此數值通常根據實(shí)際的服務(wù)模式下的策略而定)，如CPU使用率的原始數據、并發(fā)會(huì )話(huà)數量等等。

ATCA機箱級的電源管理策略包含了用于負載整合的虛擬化動(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)正在運行的虛擬設備(VM)或應用在兩個(gè)不同的物理設備間遷移，且不會(huì )斷開(kāi)與客戶(hù)端的鏈接或應用。動(dòng)態(tài)遷移最典型的一個(gè)應用就是云計算中的資源管理。電信運營(yíng)商擁有的成千上萬(wàn)個(gè)虛擬設備(VM)都運行在其數據中心，為了節約能源和成本、負載均衡，這些電信運營(yíng)商可以利用動(dòng)態(tài)遷移對虛擬設備進(jìn)行轉移，而無(wú)需中斷運行在這些虛擬設備中的客戶(hù)應用程序。

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/或負載調度的模式而定，這取決于首要目的是節能還是優(yōu)質(zhì)的服務(wù)品質(zhì)。實(shí)時(shí)遷移節能的關(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)器數量的減少意味著(zhù)對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)現節能的最終目的。

雖然實(shí)時(shí)虛擬設備遷移具有諸多益處，如資源(CPU，內存等)的分配和能耗感知的整合，但是虛擬設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(lái)測試實(shí)時(shí)遷移的功耗。結果顯示，當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。這種模式引導的決策，大幅減少了72.9%的遷移成本，并且節能73.6%。

配置和控制管理策略

以電信行業(yè)為例，現今的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，可以用來(lái)控制溫度輸出和功耗。我們使用一個(gè)典型的ATCA機箱來(lái)做相關(guān)的測試，通過(guò)自動(dòng)調整策略(根據周?chē)臏囟葋?lái)決定風(fēng)扇的轉速)，風(fēng)扇(整個(gè)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(guò)嵌入式軟件設置每個(gè)刀片上的CPU、內存以及其他設備的頻率和工作模式，從而實(shí)現動(dòng)態(tài)電源管理和/或功耗限定。通過(guò)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。

從系統管理的角度來(lái)看，當系統的工作負載運行在滿(mǎn)負荷水平之下時(shí)，就可以按既定策略實(shí)現動(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，當功耗(能量)節約模式啟用時(shí)，處理器頻率將降低，從而影響工作負載的性能和吞吐量。

功耗限定功能可以通過(guò)顯示器或制動(dòng)器的內部或外部處理實(shí)現。制動(dòng)器可以提升處理器的電壓或提升處理器/內存的頻率。制動(dòng)器也可以“抑制”處理器，即通過(guò)注入死循環(huán)來(lái)延遲對指令的處理。當功耗限定達到時(shí)以及限定技術(shù)啟用時(shí)，工作負載的性能可能會(huì )受到影響。

嵌入式電源管理軟件

電源管理軟件的拓撲結構是由多個(gè)系統守護進(jìn)程的組件構成，其中每個(gè)組件都會(huì )管理一個(gè)刀片，和一個(gè)客戶(hù)端組件。