CN115543558A - 多服务器系统和用于降低多台服务器的总功耗的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于降低多台服务器的总功耗的方法，包括以下步骤：为多台服务器中的每一台确定功耗特性、由管理器读取多台服务器中的每一台的功耗特性；以及通过管理器对多台服务器进行负载均衡从而减少多台服务器的总功耗。其中，负载均衡至少部分地基于多台服务器中的一台或多台的功耗特性而进行。本发明的实施例提供的系统和方法，能够在服务器运行期间持续地监测服务器整体的功耗，特别是确定服务器是否运行在最佳能源效率区间，并且在需要时自动地、动态地进行负载平衡。

Description

多服务器系统和用于降低多台服务器的总功耗的方法

技术领域

本发明涉及服务器，特别是服务器的能源消耗。

背景技术

近年来，随着刀片服务器和高密度服务器的投入使用，数据中心的电力消耗每年都在快速增长。节能已经成为数据中心服务所面临的共同挑战。根据研究，仅2018年一年，全世界的数据中心就消耗了205太瓦时的电力。一般来说，大的数据中心可以有100兆瓦的容量，这意味着每年要消耗85400万千瓦时。而服务器约占数据中心总耗电量的43％(约3.67亿千瓦时)，如果服务器的功耗能够节省1％，则这些节省下来的电力可供应700多个家庭使用。因此，服务器功耗的每一个百分点的节省，都会带来巨大的价值和成本节约。除此之外，二氧化碳排放对于大多数国家来说也是一个重要的考虑。数据中心的电力功耗产生了大量的二氧化碳排放，因此减少电力消耗也将有助于这方面的改善。

现有的减少服务器功耗的手段比较单一且效率低下。例如，通过将服务器放置于室内不同位置且改善散热气流路径可以提高冷却效率并节省电力。当然，用新的、更有效的设备取代旧的或过时的设备永远都是一个选择。此外，识别并消除利用率低的服务器也是一个方法。

发明内容

因此，本发明的实施例提供了利用PSU(电源供应单元)的效率曲线和管理器来智能地平衡工作负载，以减少服务器整体的电力消耗的方法和系统。

在一个方面，本发明提出了一种用于降低多台服务器的总功耗的方法，包括以下步骤：为多台服务器中的每一台确定功耗特性、由管理器读取多台服务器中的每一台的功耗特性；以及通过管理器对多台服务器进行负载均衡从而减少多台服务器的总功耗。其中，负载均衡至少部分地基于多台服务器中的一台或多台的功耗特性而进行。

优选地，功耗特性为电源单元的效率分，包括根据所述电源单元的利用率的不同，其对应的所述电源单元的工作效率。

更优选地，电源单元效率分布大致为正态分布。

在优选实施例的一个变化方式中，多台服务器中的至少一台的功耗特性，由服务器中的专用处理器测量而得。

在优选实施例的另一个变化方式中，方法还包括在多台服务器运行期间，由管理器监视多台服务器的总功耗，并动态进行负载均衡的步骤。

在一个具体实施方式中，专用处理器为基板管理控制器BMC，而管理器为运行在多台服务器之一上的或者是额外的计算设备上的管理软件。

在另一个具体实施方式中，负载均衡包括将多台服务器中的第一服务器的所接收的服务请求完全转移至多台服务器中其它的服务器上。

在另一个具体实施方式中，多台服务器中的第一服务器具有多个电源单元。负载均衡包括将该第一服务器所接收的服务请求转移至多台服务器中其它的服务器上，并且关闭该第一服务器中的至少一个电源单元。

在另一个具体实施方式中，负载均衡包括将多台服务器中的第一服务器所接收的服务请求转移至多台服务器中其它的服务器上，从而使得该第一服务器的电源单元的工作效率处于最高区间。

在本发明的另一个方面，提供了一种多服务器系统，该系统包括：多台服务器，该多台服务器中的每一台具有功耗特性；以及管理器，该管理器适于读取多台服务器中的每一台的功耗特性。其中，所述管理器还适于至少部分地基于多台服务器中的一台或多台的功耗特性，进行负载平衡从而减少多台服务器的总功耗。

优选地，多台服务器中的每一台都具有专用处理器；该专用处理器适于测量功耗特性。

更优选地，专用处理器为基板管理控制器BMC，而管理器为运行在多台服务器之一上的或者是额外的计算设备上的管理软件。

本发明使得包含多台服务器的系统具有更好的整体电源效率，并帮助降低数据中心的能耗和成本。与仅仅旨在改善服务器散热效果的传统技术相比，本发明通过从改善电源单元的效率着手，能够从根本上减少服务器的功耗，而同一时间随着功耗的减少散热也自然得到改善。另外，虽然传统技术中已经存在服务器负载的重新分配，但是这样的负载调节并不能实现多台服务器整体的功耗减少，因此无助于节省功耗产生的运行成本。本发明的实施例提供的系统和方法，能够在服务器运行期间持续地监测服务器整体的功耗，特别是确定服务器是否运行在最佳能源效率区间，并且在需要时自动地、动态地进行负载平衡。这样一来，能够在不损害服务器响应要求的同时，最大化地减少功耗，并且一并减少热量的产生。

附图说明

参照本说明书的余下部分和附图可以对本发明的性能和优点作进一步的理解；这些附图中同一个组件的标号相同。在某些情况下，子标记被放在某个标号与连字符后面以表示许多相似组件的其中一个。当提到某个标号但没有特别写明某一个已有的子标记时，就是指所有这些类似的组件。

图1是根据本发明的一个实施例的多服务器系统的结构示意图。

图2作为示例展示了图1的系统中一台服务器的PSU效率曲线的形状。

图3是图1中的系统进行基于功耗的负载平衡的方法流程图。

图4展示了在一个示例中，图1中的系统进行负载平衡前后的功耗对照表。

图5展示了在另一个示例中，图1中的系统进行负载平衡前后的功耗对照表。

具体实施方式

本发明的实施例通过服务器的电源单元的效率改善，从而实现多台服务器整体功耗的降低。从以下的叙述可以轻易得知本发明的各个实施例所提供的其它不同的好处和优点。

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。

来看图1。根据本发明的第一个实施例的多服务器系统在图1中被显示。该系统包含多台服务器20，这些服务器都连接到管理器24，因此管理器24可以和每一台服务器20通信。管理器24是一台运行了用于进行基于功耗的负载平衡的管理软件的计算设备。该计算设备既可以是专门用于服务器管理但本身不执行服务器的功能例如响应服务请求，也可以是兼作为服务器使用。另一方面，图1中示出的服务器20中的每一台可以具有相同或不同的硬件或软件配置，但是它们都具有操作系统22以及BMC(基板管理控制器)26。并且，操作系统22和BMC 26可以各自独立地与管理器24通信，从而例如提供信息给予管理器24或者接收来自管理器24的指令。如图1所示，操作系统22可以将其所在的服务器20的负载状况传递给管理器24，也可以从管理器24接收指令调整服务器20的负载状况。BMC 26可以将服务器20的电源单元32的功率曲线传递给管理器24。这些传递的信息将在下面作详细的说明。

图1中示出的服务器20中的每一台中，还具有电源单元32。在本实施例中，电源单元32即为每台服务器20的PSU。该电源单元32在每一台服务器20中的数量可以为一个或多个，但是为了简洁起见图1中只示出了一个电源单元32。电源单元32如本领域普通技术人员所熟知的是为服务器20的其它部件例如主板以及存储设备提供电力供应的部件。在本实施例中，电源单元32的信息例如其实时功耗以及可用容量(即利用率)能够被BMC 26读取，并计算得出该服务器20的功耗特性。

每台服务器20的功耗特性，包括根据该服务器20的电源单元32的效率分布。具体而言，电源单元32的利用率的不同，会导致该电源单元32的工作效率产生变化。这里所说的利用率的范围为0％-100％，例如当利用率为100％的时候，电源单元32以全负荷状态输出电力。类似的，工作效率的范围也是0％-100％，而当工作效率为100％(理想状态下)的时候，电源单元32在工作时浪费的能量最小，即电源单元32输入的交流电能量被转换到输出的直流能量时损失最小。因此，电源单元32的效率每提高一个百分点就意味着服务器20整体功耗的节省。举例而言，如果某台服务器20以1000W的功率运行，而电源单元32的效率为90％，就意味着有1000W中的900W用于运行工作负载，而剩下的100W被电源单元32本身消耗掉。如果效率上升到91％，那么运行同样的工作负载时，服务器20的整体功耗为989W(900W/91％＝989W)，这意味着节省了11W(1％)的功耗。

图2示出了图1中的一台服务器20的示例性PSU效率曲线，其表示了随着电源单元32的利用率的变化，而导致的电源单元32的效率变化。从图2中可以看出，该示例中的电源单元32的最高效率(即曲线的顶点)大约为96％，但是最高效率并非在电源单元32利用率为100％的时候。相反，从图2中可见，最高效率大约是在利用率为48％-52％的时候发生。也就是说，如果利用率太高或者太低，并不会实现电源单元32的高效工作。事实上，电源单元32的效率分布可以见到大概是正态分布，具有钟形。可以定义一最高效率区间，例如在图2中，可以定义最高效率区间为PSU效率等于大于94％的区间，该最高区间因而对应大约30％-73％的PSU利用率。当然，最高效率区间可以自定，其可以是更宽或更窄的效率区间。

需要指出的是，图1中每一台服务器20的PSU效率曲线都可以是不尽相同的。这是因为每台服务器20的硬件和软件配置都有可能不同。与个别组件的功耗不同的是，电源单元32的功耗是整台服务器20的功耗，因此任何硬件或软件上哪怕是微小的区别(例如服务器20的主板上多一颗电阻还是少一颗电阻)都会影响服务器20的功耗。但是，所有的服务器20的PSU效率曲线的形状大体来说都是相同的，只是具体的数值会有不同。举例来说，某些服务器20的PSU效率曲线的顶点可能处于60％的利用率。

现在来看图1所示的多服务器系统的基于功耗而进行负载平衡的方法的步骤。该方法的主要步骤在图3中示出。首先，在能够进行负载平衡之前，每台服务器20的BMC 26都需要运行电源校准，并在此过程中测量电源单元32的效率，从而得出电源单元32的上述的效率分布(即图3中的步骤40)。如本领域普通技术人员所熟知的，BMC是服务器中的一种专用处理器，其独立于服务器中的主处理器(CPU)，可以独立启动，并读取服务器的各种状态以及与外部设备通过网络通信。上述的效率分布以PSU效率曲线的方式被BMC 26计算得出，并且传递给管理器24。可是，上述的效率分布并非一定需要以曲线形式存储，而是也可以用其他的方式(例如查找表、曲线拟合公式等)存储。图2中示出的PSU效率曲线只是作为比较直观的方法来表示效率分布，特别是当维护人员需要可视化地看到效率分布的时候。

接下来，在步骤42中，管理器24从每台服务器20的BMC 26读取PSU效率曲线，即如上所述反映电源单元32的效率曲线。通过该步骤，管理器24就可以知道整个系统中所有的服务器20的电源单元32各自的效率曲线，从而为接下来的基于功耗最优化的负载平衡做好准备。最后，在步骤44中，管理器24在进行负载平衡时，向相关的服务器20的操作系统22发出指令，部署每台服务器20的工作负载。在多台服务器20运行的期间，管理器24可以持续监视服务器20的总功耗，并动态进行负载均衡的步骤，因此步骤44并不是只执行一次，而是可以根据需要循环进行(例如每半小时或每一小时执行一次)。管理器24以这种方式来不断平衡工作负载，并计算所有服务器20的整体功耗，其目标是优化整体电源效率，在保持服务承诺的前提下将整体功耗降到最低。

管理器24进行负载平衡的方法，是在多台服务器20之间移动工作负荷。给轻负荷的服务器20增加工作负荷，减少重负荷的服务器20的工作负荷，从而使得多台服务器20各自的电源单元32的工作效率尽量移动到各自效率曲线的顶端。关于负载平衡的具体实现手段，例如分配算法、将某个服务请求路由到特定的服务器20的策略等，都是本领域技术人员所熟知的，在此不再赘述。不过，和现有技术中的负载平衡不同的是，本实施例中的负载平衡的目的是使得多服务器系统的整体功耗降到最低。如上所述的，管理器24从每台服务器20各自的BMC 26获得电源单元32的实时功耗和电源容量，并计算出电源单元32的利用率，并基于此和PSU效率曲线来调整特定服务器20的工作负载，使整个系统的功耗落入最高效的范围。

在实际调整过程中，有许多可选的策略可使用，而不是限于使用某种固定调整方式。例如，最简单的调整方法是如果一台服务器20的负荷过大，导致其电源单元32无法工作在最高效率区间，则将该服务器20接收的部分服务请求转移至多台服务器20中其它的服务器20上，从而使得该服务器20的电源单元32的利用率回落，而这反而可能使得电源单元32的工作效率处于最高区间。

如果一个服务器20或一部分服务器20在将它/它们电源效率调整到最高之后可以承受所有的工作负荷，那么就关闭系统中其余的服务器20，这样可以使得关闭了的服务器20不再产生电力消耗。换句话说，这样的调整策略将多台服务器20中的一台或多台所接收的服务请求完全被转移至多台服务器20中其它的服务器上。

或者，如果系统中的部分服务器20必须在轻度负载下运行，那么可以关闭这些服务器20中的一个或多个电源单元32，让剩余的电源单元32仍然保持最高效率运行。例如，如果一台有两个电源单元32的服务器20必须运行轻度负载，那么关掉其中一个电源单元32，只留下一个电源单元32供电。并且，将该服务器20接收的服务请求部分转移至多台服务器20中其它的服务器20上。这样一来，该服务器20虽然具有两个电源单元32，但是可以只运行一半的负载(只使用一个电源单元32)，但该剩下的电源单元32可以最高效率工作。

图4-5展示了管理器24进行负载平衡的具体示例。假设在多服务器系统中存在三台服务器A、B、C，每台服务器具有两个750W的电源单元。为了满足服务承诺的要求。在图4所示的例子中，该系统整体工作负载需要消耗1600W(直流)。那么如图4所示有两种方法来调整工作负载。方法2的做法，是将三台服务器的负载大体上平均分配，因而每台服务器的电源单元的利用率约为37.6％，这导致每台服务器的电源单元的工作效率为94.5％。每台服务器的能耗为563.7W(交流电)，而整个系统的输入能耗(交流电)为1691W。与方法2相比，方法1不是将负载平均分配，而是将一台服务器(图4中的C)的两个电源单元的其中一个关闭。虽然这样导致该服务器C的电源单元的利用率只有23％、工作效率为92.5％，但是另外两台服务器A、B的电源单元32由于利用率增加到50％，而使得工作效率达到了96％。以这种方式，实际上整个系统的输入能耗(交流电)仅为1673W，比方法1的1691W节省了1％以上的交流电。显然，在图4的情形中，方法1比较好。

在如图5所示的另一个例子中，也有两种方法来调整工作负载。方法2的做法，是将三台服务器A、B、C的负载大体上平均分配，因而每台服务器的电源单元32的利用率约为26.2％，这导致每台服务器的电源单元的工作效率为93.2％。每台服务器的能耗为393.4W(交流电)，而整个系统的输入能耗(交流电)为1180.2W。与方法2相比，方法1不是将负载平均分配，而是将一台服务器(图5中的C)完全关闭(即不响应服务请求)，而另一台服务器(即图5中的B)的两个电源单元32的其中一个关闭。通过这样的策略，服务器A的电源单元的利用率达到96％、工作效率为95.7％，而关闭了一个电源单元的服务器B的利用率增加到52.9％，而使得工作效率达到了95.7％。以这种方式，实际上整个系统的输入能耗(交流电)仅为1146.7W，比方法1的1180.2W节省了3％以上的交流电。显然，在图5的情形中，也是方法1比较好。

因此，在介绍了几个实施例之后，本领域的技术人员可以认识到，不同的改动、另外的结构、等同物，都可以被使用而不会背离本发明的本质。相应的，以上的描述不应该被视为对如以下的权利要求所确定的本发明范围的限制。

例如，虽然图1中示出了三台服务器，但是要注意的是该图中受篇幅所限示出的服务器数量只是作为说明用途，而根据本发明的系统中包含的服务器数量既可以多于三台也可以少于三台。实际上，本发明的方法和系统对于多台服务器的数量并没有限制。无论多少台的服务器都可以使用本发明的方法来进行基于功耗的负载平衡。

Claims (11)

1.一种用于降低多台服务器的总功耗的方法，包括以下步骤：

为所述多台服务器中的每一台确定功耗特性；

由管理器读取所述多台服务器中的每一台的所述功耗特性；以及

通过所述管理器对所述多台服务器进行负载均衡从而减少所述多台服务器的总功耗；

其中，所述负载均衡至少部分地基于所述多台服务器中的一台或多台的所述功耗特性而进行。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述功耗特性为电源单元的效率分布，包括根据所述电源单元的利用率的不同，对应的所述电源单元的工作效率。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述多台服务器中的至少一台的功耗特性，由所述服务器中的专用处理器测量而得。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述多台服务器运行期间，由所述管理器监视所述多台服务器的所述总功耗，并动态进行所述负载均衡的步骤。

5.根据权利要求3所述的方法，其中所述专用处理器为基板管理控制器BMC，而所述管理器为运行在所述多台服务器之一上的或者是额外的计算设备上的管理软件。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述负载均衡包括将所述多台服务器中的第一服务器所接收的服务请求完全转移至所述多台服务器中其它的服务器上。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述多台服务器中的第一服务器具有多个电源单元；所述负载均衡包括将该第一服务器所接收的服务请求转移至所述多台服务器中其它的服务器上，并且关闭该第一服务器中的至少一个所述电源单元。

8.根据权利要求2所述的方法，其中所述负载均衡包括将所述多台服务器中的第一服务器所接收的服务请求转移至所述多台服务器中的其它服务器上，从而使得该第一服务器的所述电源单元的所述工作效率处于最高区间。

9.一种多服务器系统，该系统包括：

多台服务器；该多台服务器中的每一台具有功耗特性；以及

管理器；该管理器适于读取所述多台服务器中的每一台的所述功耗特性；

其中，所述管理器还适于至少部分地基于所述多台服务器中的一台或多台的所述功耗特性，进行负载平衡从而减少所述多台服务器的总功耗。

10.根据权利要求9所述的多服务器系统，其中所述多台服务器中的每一台都具有专用处理器；该专用处理器适于测量所述功耗特性。

11.根据权利要求10所述的多服务器系统，其中所述专用处理器为基板管理控制器BMC，而所述管理器为运行在所述多台服务器之一上的或者是额外的计算设备上的管理软件。

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