Teoría de Colas y de Redes de Colas. Simulación

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

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Green ICT: Influencia de la energía en la ingeniería de prestaciones

Carlos Juiz and Ramon [email protected] [email protected]

Universitat de les Illes BalearsPalma, Spain

UdC, A Coruña, diciembre 2011

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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

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Introducción No se puede gestionar lo que no se puede medir Hasta hace poco al ir a instalar un sistema nos

preocupaba que: Funcionalmente diera resultados correctos 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.

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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

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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:

El dominio de las nuevas arquitecturas de redes. El consumo de energía en sistemas y redes. Las redes sociales Etc.

La preocupación por el consumo de energía es para tratar de reducir el cambio climático.

¿Por qué aparece este problema?

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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:

la relación entre prestaciones y coste de la energía

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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.).

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El problema energético de las TIC

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Conclusiones

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El problema energético de las TIC

Las TIC consumen mucho: Se estima en un 10% del consumo

global de electricidad (90 TW) Su impacto en el medio ambiente es

equivalente al de la aeronáutica El coste mundial en 2008 se estima

en más de 20.000 Meuros. Se ha multiplicado por 10 en los

últimos diez años.

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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.

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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.

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El problema energético de las TIC

Source: The Report to Congress on Server and Data Center Energy Efficiency, 2007

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El problema energético de las TIC

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El problema energético de las TIC Efectividad del uso de la energía (Power Usage

Effectiveness, PUE): Se trata de una primera medida estándar desarrollada

por el Green Grid consortium Evalúa las prestaciones energéticas a nivel de un

centro de datos 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.

PUE = Potencia total del equipo TICPotencia Total de la Instalación

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El problema energético de las TIC

Reparto de la energía

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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

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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

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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.

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Prestaciones energéticas

Benchmarks relacionados con la potencia 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 1684.20 MFlops/Watt.

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Prestaciones energéticas

Benchmarks relacionados con la potencia (cont.) 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

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Prestaciones energéticas

Benchmarks relacionados con la potencia (cont.) 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.

Benchmarks de vendedores

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Prestaciones energéticas Acciones para mejorar la eficiencia energética

de los servidores web distribuidos: 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.

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Prestaciones energéticas Acciones para mejorar la eficiencia energética

de los servidores web distribuidos (cont.): 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.

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Prestaciones energéticas Acciones para mejorar la eficiencia energética

de los servidores web distribuidos (cont.): 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.

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Prestaciones energéticas Acciones para mejorar la eficiencia energética

de los servidores web distribuidos (cont.): 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.

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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.

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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.

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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.

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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.

Modelos de consumo de energía/prestaciones. Nuevos métodos de simulación, de benchmark y

herramientas de monitorización considerando dispositivos, redes y su correspeondiente consumo de energía.

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.

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Prestaciones energéticas Lista incompleta de aspectos de prestaciones del

Green ICT (cont.): 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).

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.

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Prestaciones energéticas Lista incompleta de aspectos de prestaciones del Green

ICT (cont.): 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.

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.

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.

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Prestaciones energéticas Lista incompleta de aspectos de prestaciones del Green

ICT (cont.): Encaminamiento energéticamente eficiente: diseño de

clasificadores de paquetes para alta velocidad y bajo consumo de potencia.

Asignación de ancho de banda energéticamente eficiente: haciendo recursos de mínimo consumo de energía en los equipos de la red.

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.

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Prestaciones energéticas

Lista incompleta de aspectos de prestaciones del Green ICT (cont.):

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.

Algoritmos energéticamente eficientes: Escalado dinámico de velocidades e integración de clientes para rebajar la potencia pero manteniendo la capacidad de reacción de los sistemas.

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Prestaciones energéticas

Lista incompleta de aspectos de prestaciones del Green

ICT (cont.): 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.

Etc.

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Introducción

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Conclusiones

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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: Funcionalmente diera resultados correctos 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.

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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.

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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:

Energético QoS o desempeño

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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

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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.

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GRACIAS POR VUESTRA AMABLE ATENCIÓN

¿PREGUNTAS?

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