Диета для компьютеров

Обзор декабрьского 2003 г. номера журнала Computer (IEEE Computer Society, V. 36, No. 12, 2003)

Декабрьский номер журнала посвящен теме организации вычислений в условиях осведомленности о потребляемой мощности (по-английски это звучит как power-aware computing). Приглашенными редакторами тематической части номера являются Мирча Стан (Mircea Stan) и Кевин Скэдрон (Kevin Skadron). В своей вводной заметке редакторы отмечают, что для высокопроизводительных систем методы проектирования с учетом потребляемой мощности помогают максимизировать производительность при ограничениях на рассеяние и потребление мощности. В другой крайности такие методы используются для снижения потребления мощности в мобильной среде для достижения желаемой эффективности или пропускной способности. Рассеяние мощности и связанные с этим тепловые проблемы влияют на расходы по обеспечению производительности, конструктивному оформлению, надежности, минимизации влияния на окружающую среду и отвод тепла. Потребление мощности и энергии влияет на расходы по обеспечению питания, производительности и надежности, а также прямо связано с размером и временем жизни батарей мобильных устройств. Стратегии учета потребляемой мощности могут поддерживаться на аппаратном или на программном уровне, но обычно используются программные решения с аппаратной поддержкой. Важным вопросом является сравнение разных методов учета потребляемой мощности и выбор соответствующих метрик. Исследователи обращают особое внимание на проблемы, связанные с управлением температурным режимом, поскольку они не решаются путем простого расширения методов учета потребляемой мощности. Исследуются методы активного охлаждения с целью контроля температуры, что может стать одним из основных требований будущей вычислительной техники.

Первая статья тематической подборки — «Управление энергией для коммерческих серверов» (Energy Management for Commercial Servers) — написана группой авторов из исследовательской лаборатории IBM в Остине; первый в списке авторов — Чарльз Лефуджи (Charles Lefurgy). В прошлом высокопроизводительные многопроцессорные системы включали мощные системы охлаждения и источники питания. Однако рост плотности транзисторов и общих требований к вычислительным ресурсам заставляет ограничивать энергопотребление даже системами этого класса. Кроме того, современные стандартные компьютеры, имеющие воздушное охлаждение, приближаются к пределу, которого можно достичь без применения дополнительных методов, подобных жидкостному охлаждению. Тенденция к размещению дисковых ресурсов в отдельных стойках с организацией доступа к ним посредством некоторой внутренней сети делает центральной задачей управления энергией для коммерческих серверов сохранение энергии в подсистемах памяти и микропроцессоров. В статье кратко описывается типичная архитектура современного коммерческого сервера (IBM p690, HP 9000 Superdome, Sun Fire 15K и т.п.), приводятся данные об энергопотреблении основных компонентов. Обсуждаются методы, применяемые в программных реализациях систем управления энергией для серверных архитектур; перечисляются задачи, которые предстоит решить.

Название следующей статьи — «Динамическая настройка процессорных ресурсов с применением адаптивной технологии» (Dynamically Tuning Processor Resources with Adaptive Processing). У этой статьи 14 авторов, из которых десять работают в Рочестерском университете, а четыре — в исследовательском центре IBM имени Ватсона; имя первого по списку — Дэвид Албонези (David Albonesi). Без погружения в специальные технические детали, основной идеей адаптивной организации процессора является то, что на уровне аппаратуры происходит отключение компонентов аппаратного ресурса, когда они простаивают, и обратное включение, когда оставшейся части ресурса оказывается недостаточно. В отличие от реконфигурируемых процессоров, в которых обычно используются программируемые вентильные матрицы, адаптивные процессоры основываются на обычной суперскалярной технологии. Это позволяет добиться существенного энергосбережения без потери общей производительности с небольшими накладными расходами.

Статью «Понижение потребления мощности дисками в серверах с применением DRPM» (Reducing Disk Power Consumption in Servers with DRPM) написали Судханва Гурумурти (Sudhanva Gurumurthi), Ананд Сивасубраманьям (Anand Sivasubramaniam), Махмуд Кандимир (Mahmud Kandemir) и Хьюбуртас Франке (Hubertus Franke). С развитием Internet в серверах требуется все больше все более быстрой дисковой памяти. Для повышения скорости обмена с дисками требуется повышать скорость их вращения, а это влечет повышение потребляемой мощности. В персональных компьютерах для снижения потребляемой дисками мощности используется простой подход: если к дисковой подсистеме долгое время не поступают обращения, диски останавливаются, переходя в режим standby. Для серверов этот подход не годится, поскольку при обратном переводе диска в рабочий режим требуется достаточно большое время для его полной раскрутки. Предлагаемый подход (Dynamic Rotations Per Minute — DRPM) состоит в том, что у дискового устройства имеется несколько рабочих режимов с разными скоростями вращения. При снижении нагрузки скорость вращения диска уменьшается, и за счет этого снижается потребляемая мощность.

Большой группе авторов из Мичиганского и Пенсильванского университетов и компании ARM принадлежит статья «Утечка тока: закон Мура сталкивается со статической мощностью» (Leakage Current: Moore?s Law Meets Static Power). Первый в списке авторов — Нэм Санг Ким (Nam Sung Kim). В современных микропроцессорах имеются два основных источника рассеяния мощности — статическая и динамическая мощности. Первая — это утечка тока на выключенных транзисторах (ток через них все равно проходит); вторая же возникает при повторяющейся зарядке и разрядке емкости на выходе сотен миллионов вентилей кристаллов. В недавние времена только динамическая мощность была существенным источником потребления мощности, и закон Мура помогал ее контролировать. Однако миниатюризация процессорной технологии допускает и даже требует понижения напряжения питания. Поскольку динамическая мощность пропорциональна квадрату напряжения, понижение напряжения существенно снижает потребление мощности. В то же время, миниатюризация чипов увеличивает утечку тока, так что статическая мощность начинает доминировать в общей потребляемой мощности.

Последняя статья тематической части номера написана Равишанкаром Рао (Ravishankar Rao), Сармой Врудбула (Sarma Vrudbula) и Дейлером Рахматовым (Daler Rakhmatov). Ее название — «Моделирование батарей для проектирования систем с учетом потребления энергии» (Battery Modelling for Energy-Aware System Design). Технология аккумуляторов для портативных компьютерных устройств не удовлетворяет возрастающие требования к потребляемой энергии. Емкости батареи, заряжаемой в течение 1-4 часов, хватает в лучшем случае на 14 часов работы. Поэтому для программного обеспечения портативных устройств очень важны характеристики разрядки батареи, чтобы было возможно обеспечить пользователя достоверными данными о текущем потенциале его устройства. Для этого необходимы математические модели батарей. Низкоуровневые точные модели построены около десяти лет назад и представляют собой сложные системы дифференциальных уравнений, на решение которых может уйти несколько дней. В последнее время появились упрощенные модели высокого уровня, обеспечивающие приемлемую точность. В статье приводится обзор известных подходов к подобному моделированию.

Вне тематической подборки опубликована статья «Роль метаданных в научном архиве» (Metadata?s Role in a Scientific Archive), написанная Джуди Томсон (Judi Thomson), Дэном Адамсом (Dan Adams), Паулой Коули (Paula Cowley) и Кевином Уокером (Kevin Walker). Описываются архитектура и основные возможности системы Scientific Archive Management, разработанной для американской Лаборатории молекулярных наук окружающей среды и представляющей собой виртуальную файловую систему, работающую под управлением сервера метаданных. Применяется гибкий подход к представлению метаданных без ограничения их формата. Для хранения метаданных используется объектно-ориентированная СУБД (используемый продукт в статье не назван). Обеспечивается несколько механизмов поиска архивного файла по соответствующим метаданным — от обхода иерархий метаданных до текстового поиска в метаданных. В последнем случае применяется программное обеспечение Verity. Система эксплуатируется уже несколько лет, и авторы описывают сложности, которые испытывали пользователи в процессе привыкания к особенностям новой архивной системы.