Green ICT: Influencia de la energía en la ingeniería de prestaciones Carlos Juiz and Ramon Puigjaner Universitat de les Illes Balears Palma, Spain UdC, A Coruña, diciembre 2011

2 ÍNDICE  Introducción  Retos actuales de la ingeniería de prestaciones  El problema energético de las TIC  Estudio de las prestaciones energéticas  Inclusión de la energía en el concepto tradicional de prestaciones  Conclusiones

UdC, A Coruña, diciembre Introducción  No se puede gestionar lo que no se puede medir  Hasta hace poco al ir a instalar un sistema nos preocupaba que: l Funcionalmente diera resultados correctos l No funcionalmente tuviera comportamientos fiables y temporalmente aceptables.  Actualmente, visto el consumo energético de los sistemas actuales, empieza a exigirse que el sistema tenga también restricciones energéticas.

UdC, A Coruña, diciembre ÍNDICE  Introducción  Retos actuales de la ingeniería de prestaciones  El problema energético de las TIC  Estudio de las prestaciones energéticas  Inclusión de la energía en el concepto tradicional de prestaciones  Conclusiones

UdC, A Coruña, diciembre Retos actuales de la ingeniería de prestaciones  Los retos de la ingeniería de prestaciones evoluciona con los cambios de los sistemas TIC.  Los retos actuales están principalmente en: l El dominio de las nuevas arquitecturas de redes. l El consumo de energía en sistemas y redes. l Las redes sociales l Etc.  La preocupación por el consumo de energía es para tratar de reducir el cambio climático.  ¿Por qué aparece este problema?

UdC, A Coruña, diciembre Retos actuales de la ingeniería de prestaciones  Hasta hace pocos años, la ubicación de los servidores para tareas corporativas (correo o web) estaban descentralizadas, puesto que los servidores estaban un habitaciones de la oficina.  El aumento del control de la calidad de las aplicaciones web ha provocado la creación de grandes granjas de datos.  Las economías de escala hicieron el resto y las infraestructuras de Internet están empujando hacia la centralización.  Más usuarios y más trabajo e información almacenada "en la nube" aumentan la necesidad de más y mayores cetros de datos.

UdC, A Coruña, diciembre Retos actuales de la ingeniería de prestaciones  El consumo de potencia en los centros de datos sigue aumentando de forma alarmante.  Sin embargo, estudiar la eficiencia energética de un centro de datos es difícil a causa de la diversidad y complejidad de su infraestructura.  Hay cinco consumidores principales de energía: l Servidores y sistemas de almacenamiento l Equipo de acondicionamiento de la potencia l Sistemas de refrigeración y humidificación l Equipos de redes l Seguridad física y lógica

UdC, A Coruña, diciembre Retos actuales de la ingeniería de prestaciones  Sin embargo, los centros de datos sostenibles requieren la colaboración de ingenieros mecánicos, eléctricos e informáticos.  La infraestructura hardware del centro de datos consta de cientos (o miles) de servidores que alojan servicios generadores de ingresos, interconectados entre sí y con el mundo exterior por medio de equipos de redes y se apoyan en dispositivos para datos persistentes. Estos elementos hardware están gestionados por software en todos el centro de datos.

UdC, A Coruña, diciembre Retos actuales de la ingeniería de prestaciones  Los centros de datos que alojan aplicaciones web y archivos de usuario son grandes almacenes con muchos servidores, equipo electrónico adicional y complejos sistemas de refrigeración.  La energía gastada por los centros de datos que mantienen la calidad de los servicios en funcionamiento de Internet está creciendo rápidamente.  Pronto las empresas que gestionen centros de datos gastarán anualmente más dinero en energía que en equipos.

UdC, A Coruña, diciembre Retos actuales de la ingeniería de prestaciones  La ingeniería de prestaciones asegura que se diseñará e implementará una solución que cumpla con los requerimientos de prestaciones.  El número creciente de usuarios de Internet y de sistemas conectados a él, produce contínuamente problemas de capacidad.

UdC, A Coruña, diciembre Retos actuales de la ingeniería de prestaciones  El crecimiento de los sistemas web degrada la calidad de servicio (p. e. tiempo de respuesta) y las prestaciones de cualquier sistema web.  Para solventar el problema hay que aumentar el número de servidores y, en consecuencia, el consumo de energía.  Directamente relacionado con todo ello emerge una nueva rama de investigación: l la relación entre prestaciones y coste de la energía

UdC, A Coruña, diciembre Retos actuales de la ingeniería de prestaciones  Para dispositivos móviles, la capacidad de la batería y la utilización de la energía afectan directamente a su usabilidad.  La capacidad de la batería determina al cabo de cuanto tiempo el sistema se detiene.  Como la capacidad de la batería es limitada y mejora lentamente, los arquitectos de los dispositivos se han concentrado en extraer la mayor eficiencia energética de los componentes (procesador, pantalla, subsistemas inalámbricos aislados, etc.).

UdC, A Coruña, diciembre Retos actuales de la ingeniería de prestaciones  Se han destinado esfuerzos para establecer benchmarks para evaluar la eficiencia energética de los centros de datos.  Otros trabajos se han orientado a la definición de métricas para determinar la eficiencia energética de los procesadores y servidores sin fijar la carga.  Menos esfuerzos se han dedicado la los subsistemas de I/O, que juegan un papel significativo en la potencia total necesaria.

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UdC, A Coruña, diciembre El problema energético de las TIC  Las TIC consumen mucho: l Se estima en un 10% del consumo global de electricidad (90 TW) l Su impacto en el medio ambiente es equivalente al de la aeronáutica l El coste mundial en 2008 se estima en más de Meuros. l Se ha multiplicado por 10 en los últimos diez años.

UdC, A Coruña, diciembre El problema energético de las TIC  El UNIVAC I (UNIVersal Automatic Computer) en la década de los cincuenta consumía 125 kW para realizar 1905 operaciones por segundo.  En la actualidad el Jaguar realiza 1.7 Petaflops consumiendo 6950 kW.

UdC, A Coruña, diciembre El problema energético de las TIC  El consumo por operación realizada se ha reducido.  El consumo de las máquinas actuales ha aumentado  Existe el riesgo o la certeza que si no se pone remedio, los consumos seguirán aumentando.

UdC, A Coruña, diciembre El problema energético de las TIC Source: The Report to Congress on Server and Data Center Energy Efficiency, 2007

UdC, A Coruña, diciembre El problema energético de las TIC

UdC, A Coruña, diciembre El problema energético de las TIC  Efectividad del uso de la energía (Power Usage Effectiveness, PUE): l Se trata de una primera medida estándar desarrollada por el Green Grid consortium l Evalúa las prestaciones energéticas a nivel de un centro de datos l Trata de obtener la eficiencia del entorno de los equipos TIC:  El óptimo es 1  Lo mejor posible hoy en día está alrededor de 1.1,  El promedio en la actualidad está en 1.9.

UdC, A Coruña, diciembre El problema energético de las TIC Reparto de la energía

UdC, A Coruña, diciembre El problema energético de las TIC  La potencia se pierde durante los períodos ociosos.  ¿Podríamos apagar las máquinas? ¿Ralentizar los componentes? (c) Jeff Kandyba and RMI

UdC, A Coruña, diciembre ÍNDICE  Introducción  Retos actuales de la ingeniería de prestaciones  El problema energético de las TIC  Estudio de las prestaciones energéticas  Inclusión de la energía en el concepto tradicional de prestaciones  Conclusiones

UdC, A Coruña, diciembre Prestaciones energéticas  Revisemos conceptos que deberíamos tener energía = potencia * tiempo  La energía se mide en kWh o en Joule (watt * segundo).  La potencia se mide en W o en kW o en MW

UdC, A Coruña, diciembre Prestaciones energéticas  Tenemos tres variables a medir: energía, potencia y tiempo.  La energía y el tiempo son fáciles de medir.  Pero con la potencia se nos plantea el problema de decidir la potencia que vamos a medir: ¿La máxima? ¿La media? ¿De qué parte de la instalación?  Hay que distinguir también entre potencia estática y potencia instantánea.  Además queremos relacionar la potencia consumida con el trabajo realizado: benchmarks.

UdC, A Coruña, diciembre Prestaciones energéticas  Benchmarks relacionados con la potencia l Green500  Para computación de altas prestaciones: calcula Flops/watt usando el LinPack  Está publicada la lista de los 500 mejores resultados.  Ejemplo: El primero de la lista (noviembre 2010), el NNSA/SC Blue Gene/Q Prototype del IBM Thomas J. Watson Research Center daba MFlops/Watt.

UdC, A Coruña, diciembre Prestaciones energéticas  Benchmarks relacionados con la potencia (cont.) l Standard Performance Evaluation Corporation: SpecPower  Para servidores java: calcula server-side-java operations/watt (ssj ops/W), incluyendo el tiempo ocioso en cargas específicas.  Ejemplo: el mejor de la lista de resultados es el Fujitsu PRIMERGY TX140 S1 (Intel Xeon E3-1260L) que da 4,549 ssj/W

UdC, A Coruña, diciembre Prestaciones energéticas  Benchmarks relacionados con la potencia (cont.) l Transaction Processing Council: TPC-Energy  Para aplicaciones transaccionales: calcula watts/carga  Ejemplo: para procesar una carga transaccional típica en servidores HP se obtuvieron 5.84 W/transacción por segundo. l Benchmarks de vendedores

UdC, A Coruña, diciembre Prestaciones energéticas  Acciones para mejorar la eficiencia energética de los servidores web distribuidos: l A nivel de red, la idea sería disminuir el uso total de la red:  Moviendo grandes cantidades de datos a través de rutas que consuman menos energía  Optimizando la situación de las réplicas de los datos para minimizar la utilización de los equipos  Minimizando el tiempo necesario para transferir datos  Reduciendo los datos que deben transmitirse.

UdC, A Coruña, diciembre Prestaciones energéticas  Acciones para mejorar la eficiencia energética de los servidores web distribuidos (cont.): l A nivel de hardware: durante mucho tiempo se creyó que era la única forma de reducir el consumo de energia.  Hardware con buena eficiencia energética: hardware más rápido reducirá la potencia y el tiempo y, por lo tanto, la energía.  Estados de consumo de potencia en la CPU: la potencia puede caer algunos watt cuando está ociosa (automáticamente o por software).  Núcleos desconectados, discos parados, tarjetas de red en estado dormido, etc.

UdC, A Coruña, diciembre Prestaciones energéticas  Acciones para mejorar la eficiencia energética de los servidores web distribuidos (cont.): l A nivel de servidor, maximizar la eficiencia energética por el conocimiento de la relación entre la utilización de los recursos y el consumo de potencia a nivel del sistema por:  Consolidación de las cargas de trabajo.  Construcción de modelos potencia-prestaciones para servidores ejecutando diferentes cargas de trabajo web.  Virtualización de servidores.

UdC, A Coruña, diciembre Prestaciones energéticas  Acciones para mejorar la eficiencia energética de los servidores web distribuidos (cont.): l A nivel de la aplicación, se debe favorecer el conocimiento del contexto de las aplicaciones. El desarrollo de técnicas de minería de datos sobre el conocimiento de la energía darán soporte a un uso eficiente de la energía a nivel de las aplicaciones.

UdC, A Coruña, diciembre Prestaciones energéticas  Los nuevos retos serán como reducir el consumo de potencia de forma colaborativa no sólo como esfuerzos individuales sobre los dispositivos sino obteniendo una calidad de servicio óptima.  Estos nuevos retos de las prestaciones propondrán modelos alternativos realistas de la eficiencia energética y estudiarán nuevas soluciones para los benchmarks.

UdC, A Coruña, diciembre Prestaciones energéticas  Mientras que en la actualidad se invierte mucho esfuerzo en soluciones específicas de hardware para rebajar el consumo de energía, es necesario un enfoque complementario desde el punto de vista de la aplicación.

UdC, A Coruña, diciembre Prestaciones energéticas  La ingeniería de prestaciones deberá caracterizar el consumo de energía y la eficiencia energética de las aplicaciones en los servidores.  Entonces, basados en las posibilidades de adaptación de hardware actual y en las redes de interconexión, los ingenieros de prestaciones caracterizarán el equilibrio que debe existir entre los ahorros de energía y los parámetros funcionales y no funcionales del sistema y la aplicación.

UdC, A Coruña, diciembre Prestaciones energéticas  A continuación proponemos una lista incompleta de aspectos de prestaciones del Green ICT poniendo juntas las tecnologías informáticas, las redes, la optimización y sus aspectos de evaluación de prestaciones y de potencia. l Modelos de consumo de energía/prestaciones. l Nuevos métodos de simulación, de benchmark y herramientas de monitorización considerando dispositivos, redes y su correspeondiente consumo de energía. l Centros de cálculo eficientes desde el punto de vista energético: esto se realizará a diferentes niveles, es decir a nivel de centro de datos, de la carga y de la gestión del servidor, respectivamente.

UdC, A Coruña, diciembre Prestaciones energéticas  Lista incompleta de aspectos de prestaciones del Green ICT (cont.): l Redes eficientes desde el punto de vista energético a diferentes niveles (dispositivos de red, protocolos de comunicación y control, diseño de arquitecturas de red, y prestaciones de la red). l Diseño de software Green: a nivel de compilador sobre las optimizaciones de las estructuras algorítmicas y de datos para los sistemas en grid. También a nivel de aplicación para investigar los aspectos en las aplicaciones especificando los requerimientos de prestaciones/consumo de potencia que el usuario espera de estos servicios.

UdC, A Coruña, diciembre Prestaciones energéticas  Lista incompleta de aspectos de prestaciones del Green ICT (cont.): l Diseño para el conocimiento de la energía: autorización de la visión social del uso de productos y servicios por incremento de la visibilidad de las elecciones de la energía durante la operación. l Gestión de las métricas de Green ICT: indicadores de las prestaciones/energía a partir de la monitorización del centro de datos para el gobierno/gestión de las TIC. l Middleware consciente de la potencia para los centros de datos: gestión inteligente de la potencia para máquinas virtualizadas, virtualización y benchmark consciente de la potencia.

UdC, A Coruña, diciembre Prestaciones energéticas  Lista incompleta de aspectos de prestaciones del Green ICT (cont.): l Encaminamiento energéticamente eficiente: diseño de clasificadores de paquetes para alta velocidad y bajo consumo de potencia. l Asignación de ancho de banda energéticamente eficiente: haciendo recursos de mínimo consumo de energía en los equipos de la red. l Energía y cálculo distribuido: ubicación de agentes móviles, ubicación de la carga de trabajo, migración de máquinas virtuales, asignación de recursos P2P, etc, proporcionando medios para desarrollar estrategias de asignación con conocimiento de la energía.

UdC, A Coruña, diciembre Prestaciones energéticas  Lista incompleta de aspectos de prestaciones del Green ICT (cont.): l Sistemas de gestión de bases de datos ecológicos: gestión de la energía consumida durante el proceso de interrogaciones y considerando la agregación de interrogaciones en la carga de trabajo. l Algoritmos energéticamente eficientes: Escalado dinámico de velocidades e integración de clientes para rebajar la potencia pero manteniendo la capacidad de reacción de los sistemas.

UdC, A Coruña, diciembre Prestaciones energéticas  Lista incompleta de aspectos de prestaciones del Green ICT (cont.): l Gestión dinámica de las prestaciones: los modelos de programación para la nube se basan en el uso de tareas planificadas a través de grandes centros de datos, aprovechando las ventajas de las prestaciones/paralelismo y potencia. l Etc.

UdC, A Coruña, diciembre ÍNDICE  Introducción  Retos actuales de la ingeniería de prestaciones  El problema energético de las TIC  Estudio de las prestaciones energéticas  Inclusión de la energía en el concepto tradicional de prestaciones  Conclusiones

UdC, A Coruña, diciembre Inclusión de la energía  No se puede gestionar lo que no se puede medir  Hasta hace poco al ir a instalar un sistema nos preocupaba que: l Funcionalmente diera resultados correctos l No funcionalmente tuviera comportamientos fiables y temporalmente aceptables.  Actualmente, visto el consumo energético de los sistemas actuales, exigimos que el sistema tenga también restricciones energéticas.

UdC, A Coruña, diciembre Inclusión de la energía  Relacionar el consumo de energía con el concepto tradicional de QoS o desempeño exigirá disponer de informaciones fiables que relacionen las operaciones elementales (acceso a un disco, ejecución de código, envío de un mensaje, etc.) no sólo con el tiempo, sino también con su consume energético.  Mientras no los tengamos lo único que se podrá hacer serán bonitos estudios teóricos.

UdC, A Coruña, diciembre Inclusión de la energía  Cuando los tengamos podremos comparar soluciones que den la QoS o el desempeño deseados en función del consumo de energía de cada una de ellas.  Y decidir mediante un proceso de optimización multi-objetivo cual es la solución más adecuada a nuestras necesidades desde ambos puntos de vista: l Energético l QoS o desempeño

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UdC, A Coruña, diciembre Conclusiones  El consumo energético de las TIC puede bloquear su crecimiento o entrar en niveles inaceptables.  Hemos de ser capaces de medir la energía consumida por las operaciones habituales  Hemos de disponer de elementos de comparación de sistemas en términos energéticos.  Hemos de ser capaces de construir modelos que incluyan las variables de la QoS y la energía.

UdC, A Coruña, diciembre GRACIAS POR VUESTRA AMABLE ATENCIÓN ¿PREGUNTAS?

Green ICT: Influencia de la energía en la ingeniería de prestaciones Carlos Juiz and Ramon Puigjaner Universitat de les Illes Balears Palma, Spain UdC, A Coruña, diciembre 2011