服务器能效基准工具及性能评测研究

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近年来,随着云数据中心数量的大规模增加,服务器产生的能耗也与日俱增,能源成本的提升迫使产业界将关注重点不再仅停留于性能指标。越来越多的企业也将目光投向具有低功耗优势的Arm架构服务器,而为了兼顾性能与节能,需要提供能效的量化指标,使用能效基准评估工具对服务器进行基准测试是实现能效评估的重要方式。然而现有的能效基准工具存在基准子项过时、单一、不符合典型场景以及能源数据获取成本高等问题,无法有效地反映服务器的性能和能效测试结果。为此,本文以改进SERT为出发点,基于Chauffeur框架设计并实现了面向服务器的能效基准工具CSBench。本文的主要工作如下:(1)为了更有效合理地获取服务器的性能与能效指标,本文设计实现了新的压缩解压负载、加解密负载、排序负载、内存负载、IO负载等并创新性地提出了一套新的能效评估指标。所实现的压缩解压负载是当前文件压缩与大数据压缩领域有代表性的主流高性能压缩算法;加解密负载能够反映最典型的包含对称与非对称的混合加密场景;排序负载不依赖于语言体系的框架调用、具有更好通用性;内存和IO负载提供混合负载各子基准项的基准测试结果,扩展了基准测试覆盖面。本文通过实验对比SERT与CSBench的基准测试结果,证明了所改进的基准子项的有效性,以及在混合负载中提供子基准项测试结果的必要性。本文所提出的能效评估指标能够从多维度准确评价服务器能效,包含原始能效分与标准化能效分,原始能效值能够评估各基准子项的真实能效,标准化能效值能够避免能效值偏向某一部件而造成对比结果的偏差,本文通过实验验证了所提出能效评估指标的有效性。(2)能耗数据采集是基准工具中必不可少的一部分,本文对服务器能耗数据采集技术进行了调研并分析了它们各自的优缺点,基于以上调研,本文设计实现了基于Red Fish标准更方便快捷的能耗数据监测工具RFMonitor,它能够在基准测试期间跟随CSBench自动启动记录被测服务器能耗数据,具有配置简易、成本低的优势。本文将RFMontior与功率仪所采集数据进行对比,其偏差率仅为0.7%,充分验证了RFMonitor的准确性。(3)针对Arm服务器低功耗特性以及近年自主化Arm架构国产CPU的研究需求,本文分别在搭载了华为基于Arm架构自主研发的Kunpeng920和英特尔基于X86架构的Xeon Gold 6248服务器使用CSBench进行能效基准测试,获取到两台服务器在不同基准测试项中的性能、功耗和能效,通过实验对比分析二者表现产生差异的原因,本文发现Arm中内置的加速指令能够有效提升服务器的性能,验证了ARMv8中扩展的加解密指令驱动硬件加速实现SHA256的极高性能和能效;同时本文也分析了两种不同计算架构的能耗稳定性,发现Arm服务器能耗在同一类别负载下具有很高的稳定性。本文提供了最新的Arm与X86架构服务器性能与能效表现的参考,探索并验证了Arm的特性,同时也为Arm架构国产CPU的研究填补部分缺口。
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