CN1315019C - 管理多计算机服务器的功耗的方法和计算机系统 - Google Patents

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Abstract

公开一种管理多计算机服务器的功耗的方法。首先确定要求满足当前工作负荷需求的计算机服务器数。接着，确定满足当前工作负荷需求的打开电源的计算机服务器的热优化配置。根据热优化配置，打开或关闭至少一个计算机服务器的电源。

Description

管理多计算机服务器的功耗的方法和计算机系统
技术领域
本发明一般涉及电源管理，并具体涉及用于计算机系统的电源管理。更具体地，本发明涉及管理多计算机服务器的功耗的方法。
背景技术
对过度功耗的关注不再限于专门的计算机系统，如专门设计用于航空宇宙环境的计算机系统，而是还扩展到了通用计算机系统。支持目前工作负荷的高需求的、特别在电子商务和网络主机工业(web-hosting industry)领域中的、计算机服务器的能力，受限于计算机服务器不能有利于解决功耗和热消耗问题。热消耗问题归因于装入相对小的空间中的大量计算机服务器，并且功耗问题归因于那些计算机服务器中的大量高性能处理器。例如，设计用于电子商务和网络主机应用的现代的计算机服务器联合体一般组成几千并行运行的计算机服务器，占用几千平方英尺的计算机室空间，每个计算机服务器消耗许多瓦功率。
在某些应用中，低功率的处理器可以是对上述问题的简单解决方案。然而，肯定地说，新的市场可接受的价格-功率-性能平衡已经在计算机服务器市场中展现出来，而实际上，低功率处理器的性能限制可限制其最终进入这样的市场。此外，处理器功耗虽然显著但不占据计算机服务器消耗的所有功率。存储器控制器、适配器、盘驱动器和其它外围设备占计算机服务器功耗的大部分，并且不能被忽略。
结果，会期望提供一种管理计算机服务器的功耗的改进的方法。
发明内容
因此，根据本发明的第一方面，提供一种管理计算机服务器的池(pool)的功耗的方法，所述方法包括：确定要求满足当前工作负荷(current workload)需求的计算机服务器数；确定满足所述当前工作负荷需求的打开电源的计算机服务器的热优化配置；以及根据所述热优化配置，从计算机服务器的所述池打开或关闭至少一个计算机服务器的电源，以满足所述当前工作负荷需求，其中，所述确定满足所述当前工作负荷需求的打开电源的计算机服务器的热优化配置的步骤还包括：确定包围计算机服务器的所述池的机架的热特性；以及，确定计算机服务器的所述池中的哪一个计算机服务器的电源在当前是打开的。
根据本发明的第二方面，提供一种用于管理计算机服务器的池的功耗的计算机系统，所述计算机系统包括：用于确定要求满足当前工作负荷需求的计算机服务器数的装置；用于确定满足所述当前工作负荷需求的打开电源的计算机服务器的热优化配置的装置；以及用于根据所述热优化配置、从计算机服务器的所述池打开或关闭至少一个计算机服务器的电源的装置，其中，所述用于确定满足所述当前工作负荷需求的打开电源的计算机服务器的热优化配置的装置还包括：用于确定包围计算机服务器的所述池的机架的热特性的装置；以及用于确定计算机服务器的所述池中的哪一个计算机服务器的电源在当前是打开的装置。
根据本发明的优选实施例，确定要求满足当前工作负荷需求的计算机服务器数。接着，确定满足当前工作负荷需求的打开电源的计算机服务器的热优化配置。根据热优化配置，打开或关闭至少一个计算机服务器的电源。
附图说明
如附图所示，现在参考其优选实施例，仅仅通过举例说明本发明，其中：
图1是实现本发明的优选实施例的计算机服务器池(pool)的框图；
图2是根据本发明的优选实施例的、管理计算机服务器的功耗的、基于增益的算法的图示说明；
图3是在周二早晨和周一夜间之间测量的示例工作负荷；
图4是根据本发明的优选实施例、用于确定哪个计算机服务器打开和/或关闭电源的方法的高级逻辑流程图；以及
图5是根据本发明的优选实施例、用于确定打开电源的计算机服务器的热优化配置的方法的高级逻辑流程图。
具体实施方式
现在参照附图特别是图1，说明实现本发明的优选实施例的计算机服务器池的框图。如所示，计算机服务器池10包括一组连接控制服务器12的计算机服务器11a-11n。每个计算机服务器11a-11n包括工作负荷执行部件、工作负荷管理部件和电源控制部件。例如，计算机服务器11a包括工作负荷执行部件16、工作负荷测量部件17和电源控制部件18。控制服务器12包括负荷平衡因特网协议(IP)分配器(sprayer)14和电源管理部件15。IP分配器14将单一IP地址提供给“外部世界”，并且将来自“外部世界”(即计算机服务器池10的外部)的请求分配给计算机服务器11a-11n的任何一个，以便平衡计算机服务器11a-11n中的负荷。
可观察到，如来自图1的计算机服务器池10的计算机服务器池上的电子商务和网上冲浪工作负荷，具有使其高度服从电源管理技术的某些特性。首先，电子商务和网上冲浪工作负荷展现周期性行为，其中峰值工作负荷基本上高于最小工作负荷或甚至平均工作负荷。例如，电子商务和网上冲浪工作负荷的动态范围经常在因子10；即峰值工作负荷可以是最小工作负荷的10倍。其次，因为电子商务和网上冲浪应用的用户的蜂拥心理，从最小工作负荷到最大工作负荷的转换(和反向转换)可以非常突然。其三，电子商务和网上冲浪工作负荷高度并行，并且相对容易负荷平衡。其四，服务器请求生存期足够短，如果给定计算机服务器“被宣告不适用(condemned)”(即新的工作负荷从其被抑制(withhold))，那么其利用率将快速下降，而如果新的计算机服务器进入在线状态，那么可容易地分配新的工作负荷给它，并且其利用率将快速上升。
上述工作负荷属性意味着每个计算机服务器能以对计算机服务器池的全面操作的最小破坏打开和关闭电源(包括功率节省模式，如休眠模式或睡眠模式)。因此，本发明提供一种根据测量的工作负荷管理计算机服务器的功耗的方法，使得未满足的需求和功耗可最小化。根据本发明的优选实施例，
(1)测量定义的组内的所有计算机服务器上的工作负荷；
(2)确定定义的组内、需要在近期打开或关闭电源的特定计算机服务器；
(3)操作现有系统和工作负荷管理功能，以便去除来自要关闭的计算机服务器的负荷；以及
(4)通过使用现有系统管理接口打开或关闭特定计算机服务器。计算机服务器的工作负荷可根据下面的利用率度量测量：
i.处理器利用率；
ii.物理存储器利用率；
iii.局域网适配器带宽利用率；以及
iv.硬盘带宽利用率。
上述利用率度量可从操作系统容易地测量。例如，对于MicrosoftWindows操作系统，利用率度量可从内置的性能计数器得到。对于Linux操作系统，利用率度量可从位于/proc目录结构中的数据得到。
一旦已经测量了工作负荷，电源管理方法就用于确定哪个计算机服务器以及何时需要打开或关闭。作为本发明的优选实施例，设计三个算法实现上述电源管理方法，即基于增益的算法、基于先前观察的工作负荷的时间特征化的算法和基于增益的自调整算法。
I.基于增益的算法
现在参考图2，根据本发明的优选实施例，图示说明管理计算机服务器的功耗的基于增益的算法。基于增益的算法试图对如来自图1的计算机服务器池10的计算机服务器池的工作负荷，估计近期的容量包络20。计算机服务器池中的至少一个计算机服务器将打开或关闭电源，以便将计算机服务器池的当前容量(current capacity)维持在容量包络20内。计划时间(projectiontime)等于打开计算机服务器电源和使计算机服务器准备好工作所需要的时间。容量包络20的低限21(即视为给定当前工作负荷必需的最小容量)通过将当前工作负荷加到基于在采样窗25(即工作负荷历史)上观察的最大采样到采样偏离的提高值(uplift)来预测。容量包络20的高限23(即视为给定当前工作负荷必需的最大容量)通过将当前工作负荷加到基于在采样窗25上观察的最大采样到采样偏离的超额值(excess)来预测。提高值等于提高增益乘最大采样到采样偏离值，而超额值等于超额增益乘最大采样到采样偏离值。如果当前容量在低限21和高限23之间，那么不需要采取行动。如果当前容量低于低限21，那么调度计算机服务器池中的至少一个计算机服务器打开电源。如果当前容量高于高限23，那么调度计算机服务器池中的至少一个计算机服务器关闭电源。
例如，如果当前容量是1100工作负荷单位，当前工作负荷是1000工作负荷单位，采样窗是20个采样，提高增益是20％，超额增益是100％，那么基于增益的算法如下执行：
(1)选择采样窗并且计算选择的采样窗中的各采样的最大采样到采样偏离值(DV)。例如，如果最低工作负荷采样是10，而最高工作负荷采样是210，那么DV是210-10＝200。
(2)计算计划的容量包络。
低限＝当前工作负荷+提高增益*DV
        ＝1000+20％*200＝1040
高限＝当前工作负荷+超额增益*DV
        ＝1000+100％*200＝1200
(3)据此调整当前容量。因为当前容量是1100，其高于低限而低于高限；所以，不需要采取行动。如果当前容量低于1040，那么一个或多个计算机服务器将需要打开电源，以将当前容量维持在计划的容量包络中。如果当前容量高于1200，那么一个或多个计算机服务器将需要关闭电源，以将当前容量维持在计划的容量包络中。
注意，如果工作负荷是常数并且高限23等于低限21，那么计算机服务器池中的计算机服务器将在每个采样点交替打开和关闭电源。
基于增益的算法的质量因数(figure of merit)是标准化到所有计算机服务器打开电源时的能耗的能耗，以及适当地调整以得到0和1之间的数的、相对总的整体需求的未满足需求。采样窗大小、提高增益和超额增益对基于增益的算法的执行是基本的，这样，它们需要由用户进行明智的选择。
II.基于时间特征化的算法
基于增益的算法一般不能说明工作负荷中的突然出现的尖峰，因为其不由采样窗中的变化预示。许多工作负荷尖峰根据每周或每天的活动如每天的备份而重复。在多数情形，规定每周和每天周期占优势(predominate)会是充分的。至于不是每周或每天的出现时间(epoch)，可执行如自动相关的计算，以确定周期的工作负荷，并且由此定义该出现时间。
基于时间特征化的算法是基于在先前出现时间上及时收集工作负荷数据，根据先前出现时间特征化未来出现时间的工作负荷，以及根据该特征化建立打开/关闭电源时间表(schedule)。这样的方法具有在可重复的工作负荷的突然涌现前推测地打开计算机服务器的电源的好处。在该算法的一个可能实现中，一周(一次出现时间)可分为7×24个一小时增量，并且根据对那一周观察的工作负荷，计算每个一小时增量需要的容量，并且对系统容量的时间表进行预先计划(pre-program)。例如，如图3所示，测量周二早晨和周一夜间之间的计算机服务器池的工作负荷，以便对随后的周建立电源管理时间表。图3中位于工作负荷上的实线30表明对时间的需要的容量。在随后的周，基于时间特征化的算法可确定：通过在工作负荷突然增长前打开计算机服务器电源，特征化的包络所要求的容量在需要该容量前是可用的。进而，在工作负荷随时间变化时，该算法持续重新特征化工作负荷，使得容纳(accommodate)最近的工作负荷行为。
来自基于时间特征化的算法的静态容量时间表(schedule)可由通过基于增益的算法增大的瞬间的紧急事件重写(override)。例如，如果在下一次增长时，该时间表表明要求某容量，但如上所述的基于增益的算法表明需要更多容量，那么将改为使用基于增益的算法指示的容量。
下面说明基于时间特征化的算法的一个实现的细节。该算法结合工作负荷测量部件(如来自图1的工作负荷测量部件17)和电源控制部件(如来自图1的电源控制部件18)工作。为了通过为将来参考而检测和记录可能没有被短期(short-term)算法(即基于增益的算法)容纳的工作负荷尖峰，工作负荷测量部件测量从一点到下一点的利用率的差别。通过检测利用率差别是否大于预定值并且为将来参考而由此设置标志，从而进行测量。例如，如果最近的采样大于先前采样一个给定量(称为上阈)，那么工作负荷测量部件可为那个特定时间点设置标志，表明在一个出现时间减去一个采样间隔，应该增加额外容量。在一个出现时间减去一个采样间隔计划要增加的容量依赖于最近和下一个最近采样的差别。如果最近采样小于前一个采样一个给定量(称为下阈)，那么工作负荷测量部件可为那个特定时间设置标志，表明在一个出现时间减去一个采样间隔(从当前时间)，应该去除容量。工作负荷测量部件对每个单一采样执行上述特征化，并且为将来参考存储各结果。
电源控制部件根据来自先前出现时间的利用率，调整用于下一个采样点的容量。在每个采样点，电源控制部件检查用于作为过去的一个出现时间的时间点的标志。如果该标志指示容量需要增加或去除，那么容量调整部件就这样做。可能存在多个出现时间。例如，工作负荷可展现可检测和利用的每天、每周和每月的重复性。因此，电源控制部件必须调查过去的一天、一周和可能一月以做出容量调整决定。因为采样粒度，监视系统可能误估计尖峰的出现。因此，在计算用于给定时间点的标志时，该算法不仅检查紧接该时间点后的采样而且检查那个时间点后的几个采样是有用的。
III.基于增益的自调整方法
提高增益、超额增益和采样历史大小包括三维搜索空间，其包含依赖于工作负荷特性以及能耗和未满足需求的相对权重的优化的质量因数。一般地，在这样的搜索空间找到这些质量因数的优化值是冗长且最多是特定的(adhoc)，并且对出现在该领域中的所有工作负荷和系统管理策略自然是不实际或优化的。因此，开发基于增益的自调整方法，以根据用于提高增益、超额增益和采样历史大小的一大组值的工作负荷采样，计算能耗和未满足需求。然后，该方法通过这组输入值搜索，以对给定工作负荷找到优化质量因数的设置。可使用任何搜索方法；一般地，因为状态空间小，甚至可能使用穷举法。自调整方法具有显著的优点：其可动态适应出现在该领域中的任何工作负荷以及在任何给定系统上随时间发生的工作负荷的变化。该算法的目的在于使计算机服务器的功耗尽可能紧密地跟踪计算机服务器的工作负荷。
现在参照图4，根据本发明的优选实施例，说明用于确定哪个计算机服务器打开或关闭电源的方法的高级逻辑流程图。开始于块40，首先确定要求满足当前工作负荷需求的计算机服务器池中的计算机服务器数，如在块41所示。然后，如在块42所示，获得计算机服务器机架(chassis)的热特性。每个计算机服务器机架可包括几个计算机服务器，并且计算机服务器机架的热特性，如热点和冷点，可通过包括在每个计算机服务器机架中的热传感器获得。另外，计算机服务器机架中的每个计算机服务器可具有其自己的热传感器，使得可跟踪每个计算机服务器的热特性。确定打开(或关闭)电源的计算机服务器机架中的每个计算机服务器的相对位置，如在块43所示。例如，如果计算机服务器机架中存在10个线性方式排列的计算机服务器，那么确定打开电源的每个计算机服务器的相对位置，如从计算机服务器机架的左侧第三个计算机服务器。接着，如在块44所示，确定计算机服务器机架中的任何故障冷却设备。如在块45所示，确定计算机服务器机架中的冷却设备的物理位置。如在块46所示，根据上述确定的信息计算满足当前工作负荷的打开电源的服务器的热优化配置。最后，如在块47所示，根据计算的热优化配置结果，打开或关闭至少一个计算机服务器的电源。
现在参照图5，根据本发明的优选实施例，说明用于确定打开电源的计算机服务器的热优化配置的方法的高级逻辑流程图。假设计算机服务器池中的可用计算机服务器的总数是M，并且要求满足当前工作负荷的计算机服务器数是N。开始于块50，如在块51所示，产生概率分布以给计算机服务器M的每个提供一个要打开电源的概率，如在块51所示。例如，可提供计算机服务器M的每个相等的概率1，但位于如风扇的冷却设备附近的那些计算机服务器，可被提供比较高的概率2或3，使得那些计算机服务器将具有在需要时被打开电源的比较高的概率。然后，如在块52所示，设置变量count(计数)为完全打开电源的计算机服务器数。然后如在块53所示，确定count是否小于N。如果count小于N，就使用概率分布，从所有关闭电源的计算机服务器随机选择计算机服务器，如在块54所示。然后，如在块55所示，打开选择的计算机服务器的电源。
另外，如果count不小于N，那么如在块56所示，对count是否大于N进行另一个确定。如果count大于N，那么使用概率分布，从所有打开电源的计算机服务器随机选择计算机服务器，如在块57所示。然后，如在块58所示，关闭选择的计算机服务器的电源。在count等于N时，过程退出。
如已经说明地，本发明提供一种用于管理多个计算机服务器的功耗的方法。
同样重要的是，注意：虽然在完全功能性的计算机系统的环境中已经说明了本发明，但是，本领域技术人员可知，本发明的机制能够分发为各种形式的程序产品，并且本发明同样地应用而不管用于实际执行该分发的信号承载媒体的特定类型。信号承载媒体的例子包括但不限于：可记录型媒体如软盘或CD-ROM，以及传输型媒体如模拟或数字通信链路。

Claims (6)

1.一种管理计算机服务器的池的功耗的方法，所述方法包括：
确定要求满足当前工作负荷需求的计算机服务器数；
确定满足所述当前工作负荷需求的打开电源的计算机服务器的热优化配置；以及
根据所述热优化配置，从计算机服务器的所述池打开或关闭至少一个计算机服务器的电源，以满足所述当前工作负荷需求，
其中，所述确定满足所述当前工作负荷需求的打开电源的计算机服务器的热优化配置的步骤还包括：
确定包围计算机服务器的所述池的机架的热特性；以及
确定计算机服务器的所述池中的哪一个计算机服务器的电源在当前是打开的。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述确定满足所述当前工作负荷需求的打开电源的计算机服务器的热优化配置的步骤还包括：确定包围计算机服务器的所述池的所述机架中的冷却设备的物理位置。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述确定满足所述当前工作负荷需求的打开电源的计算机服务器的热优化配置的步骤还包括：确定任何故障冷却设备的物理位置。
4.一种用于管理计算机服务器的池的功耗的计算机系统，所述计算机系统包括：
用于确定要求满足当前工作负荷需求的计算机服务器数的装置；
用于确定满足所述当前工作负荷需求的打开电源的计算机服务器的热优化配置的装置；以及
用于根据所述热优化配置、从计算机服务器的所述池打开或关闭至少一个计算机服务器的电源的装置，
其中，所述用于确定满足所述当前工作负荷需求的打开电源的计算机服务器的热优化配置的装置还包括：
用于确定包围计算机服务器的所述池的机架的热特性的装置；以及
用于确定计算机服务器的所述池中的哪一个计算机服务器的电源在当前是打开的装置。
5.根据权利要求4所述的计算机系统，其中所述用于确定满足所述当前工作负荷需求的打开电源的计算机服务器的热优化配置的装置还包括：用于确定包围计算机服务器的所述池的所述机架中的冷却设备的物理位置的装置。
6.根据权利要求5所述的计算机系统，其中所述用于确定热优化配置的装置还包括：用于确定任何故障冷却设备的物理位置的装置。
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