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(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(yùn)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?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(yùn)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(yùn)營商及設(shè)備提供商開始逐漸意識到并加強(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產(chǎn)品生命周期總排放量的80%左右。運(yùn)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(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(xiàng)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(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)會話數(shù)量等等。
ATCA機(jī)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(fèi)用。服務(wù)器管理員可以借助動態(tài)遷移將一個正在運(yùn)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(jì)算中的資源管理。電信運(yùn)營商擁有的成千上萬個虛擬設(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)營商可以利用動態(tài)遷移對虛擬設(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(shí)現(xiàn)節(jié)能的最終目的。
雖然實(shí)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(shí)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(jì)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(shí)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(shí)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(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。我們使用一個典型的ATCA機(jī)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(jī)箱的1/8)的功耗可以減少40%。
對于機(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，就可以按既定策略實(shí)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(shí)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(hù)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(hù)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(shí)際的管理端可以運(yùn)行在臺式機(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
