淺談如何通過整合電源管理提升電信業(yè)務(wù)處理性能

　　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。

　　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，這反過來又擴大了電信業(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)，可以對處理器進行動態(tài)電壓調(diào)節(jié)和動態(tài)頻率調(diào)節(jié)，從而進行有效的電源管理。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扇的轉(zhuǎn)速），風扇（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，當系統(tǒng)的工作負載運行在滿負荷水平之下時，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。當功耗限定達到時以及限定技術(shù)啟用時，工作負載的性能可能會受到影響?！?strong>　嵌入式電源管理軟件

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