高美測儀LMG600系列SPECpower Benchmark數據中心服務器功耗和能效測量白皮書

 

數據中?的功率性能?業基準測試——通過可靠的功率測量實現

在當今注重能源的世界中，優化數據中心的能效已成為IT基礎設施的重點。隨著對數據處理需求的增長，數據中心消耗了更多的能源，使服務器運行的能效成為評估現代技術環境中服務器性能的關鍵因素。因此，有效測量和基準化功耗以優化服務器能效的需求比以往任何時候都更加迫切。

 

 

主題

• 什么是 SPECpower benchmark 和 PTDeamon？

• 服務器性能和服務器功率有何不同？

• 功率分析儀如何促進SPECpower benchmark測試？

• 有哪些數據中心規劃措施需要考慮？

• 服務器制造商需要遵守哪些標準？

• 有哪些benchmark基準測量將被執行，如何執行？

• Benchmark基準測試的結果是什么？

 

 

挑戰

對于IT經理和數據中?運營商：

? 低能耗下的高性能（性能/功率比）

? 適當的能力規劃和資源管理

? 基礎設施的低成本和空間要求

? 遵守行業標準和法規

 

對于服務器級的計算機設備制造商：

? 高能效（每瓦運行）

? 產品差異化與市場競爭力

? 設備尺寸小和低噪音

? 低產品成本

? 遵守行業標準和法規

 

可以采取各種措施來提高數據中心基礎設施的每瓦運行。該白皮書從單個器件的制造商開始，最終延伸到他們的交互和數據中心運營中的其他設施。

 

解決?案

對于IT經理和數據中?運營商：

? 使用虛擬化技術和工作負荷整合

? 使用高度優化和節能的硬件

? 具有功率上限的能源管理軟件解決方案的操作

 

對于服務器級的計算機設備制造商：

? 改進的微架構（每個時鐘周期的任務）

? 動態電壓頻率調整（DVFS）

? 電源門控和時鐘門控

? 微調熱效率多核設計

? 優化緩存利用率

? 以及更多

 

 

如何專業地提供和驗證這些措施，以克服挑戰？

為了解決上述問題，標準性能評估組織（SPEC）開發了SPECpower benchmark等工具，提供了測量服務器功耗的標準化方法，以提高能源效率。SPECpower benchmark測試及其接口PTDaemon（功率/溫度程序或PTD）通過了解服務器在不同負載下的功耗性能以及其他選擇標準，幫助IT經理、數據中心運營商和設備制造商做出更明智的決策。

該白皮書概述了如何在SPECpower benchmarking基準測試中使用功率分析儀，特別是我們的LMG600系列，重點介紹確保準確可靠的功率和能量測量的關鍵功能。

 

知識點

優化能源效率對數據中心和服務器制造商至關重要。IT經理和數據中心運營商專注于虛擬化和節能硬件，而這里使用的設備和裝置的制造商則優先考慮高效設計和降低成本。SPECpower  benchmark基準有助于衡量能耗，并支持明智的決策以提高效率。為了做到這一點并提供可靠和準確的基準結果，使用適當的測量儀器（如我們的LMG600功率分析儀系列）進行精確的功率測量是其中不可或缺的一部分。

 

SPECpower benchmark基準-設置和測量

SPECpower benchmark（第一個發布的名為SPECpower_ssj2008）的基本開發目的是規范各種工作負載中服務器能效的評估。它通過提供一種結構化的方法來測量能耗和性能，從而簡化了比較。

相應的測試平臺設置由四個主要硬件組件組成：

• SPECpower委員會批準認可的功率分析儀

• 溫度傳感器

• 作為工作負載的被測系統SUT (System Under Test as workload)

• 相應的控制器

關鍵的部分是集成精確的功率測量工具，如ZES ZIMMER高美測儀的LMG系列功率分析儀，這些儀器得到了SPECpower功率委員會的正式支持和認可，是精確功率測量的受批準認可的儀器。我們的功率分析儀在服務器運行期間提供精確測量的有功功率和能量數據，使數據中心運營商和協會能夠 更好地了解其服務器的性能和能源使用情況，最終幫助他們優化系統的效率。

圖1.顯示了包含我們的LMG671功率分析儀的典型SPECpower測試設置。

 

圖1：LMG671功率分析儀與SPECpower benchmark基準測試環境的集成

 

 

在benchmarking基準測試期間，每個設備都由SPEC的PTDaemon的專用實例管理。該軟件處理與連接的功率分析儀和傳感器的通信，使被測系統（SUT）能夠專注于運行工作負載任務。通過將功率測量加載到 PTDaemon，SUT不會負擔過重，從而確保了準確的能耗讀數和可靠的性能數據。

圖2: SERT 2.0.1軟件PTDaemon設置向導的截圖

 

在SERT Suite的PTDaemon配置中，可以選擇以下幾個經過認可和測試的ZES ZIMMER高美測儀LMG系列功率分析儀：

 

LMG671使用專用協議或串口（RS-232）通過TCP與PTDaemon通信并交換數據，從而實現精確控制和數據收集。SPECpower的方法是測量不同負載區域段下的能效，以評估從滿載到空載的各種條件下的服務器性能。

在每個階段，都會采集功耗數據，提供有關服務器效率如何隨不同工作負載變化的詳細信息。在SUT上完成的工作稱為worklet，可以將多個worklet分組到一個工作負載中。SPEC服務器效率評級工具（SERT）等軟件將多個worklet集分組到工作負載中。基準的11個階段將目標負載從100%降低到0%（idle），以考慮空載功率下的能耗。如圖3所示，目標負載利用率的順序以10%的增量從100%降低到0%。

 

圖 3: 負載利用率區域段, (Su, et al., 2022)

 

按遞減順序測量這些點，可以將每個級別的負載變化限制在10%以內，從而實現更穩定的功率測量。使用遞增順序會導致從最終校準間隔到第一個目標負載從100%躍降到10%，并在運行結束時從100%躍降至空載。

 

知識點

SPECpower benchmark基準使用結構化方法對跨工作負載的服務器能效評估進行了標準化。

該設置包括功率分析儀、溫度傳感器、被測系統（SUT）和控制器。準確的功率測量是關鍵，ZES ZIMMER高美測儀的LMG系列功率分析儀等工具可提供精確的測量數據。

PTDaemon管理與功率分析儀的通信，確保SUT處理工作負載時讀數準確。在不同負載區域段

測量服務器的功耗，以確定其不同的效率。

 

工作負載調度、結果采集和測試執行由位于SUT中的Chauffeur框架管理，工作負載在SUT中執行?？刂破骱椭鳈C之間的通信通過用于同步和數據采集的網絡接口進行。PTDaemon客戶端API Java模塊，可集成到benchmark基準測試中，以簡化PTDaemo與benchmark基準測試代碼之間的通信。

在控制器上，控制器組件與SUT上運行的主機通信。每個邏輯CPU由主機分配一個客戶端，通過關聯提供器綁定到CPU。工作負載在客戶端上按順序運行，通過運行多個客戶端或使用多線程實現并行性。功率分析儀測量SUT的總功耗，而溫度傳感器則確保環境條件的一致性，減少溫度波動帶來的不準確。

 

基準benchmark的操作階段

基準過程benchmark的測試序列包括三個主要的操作階段，如圖4所示：

• 預熱: 在預熱階段（W），沒有記錄功率數據，需要系統穩定，避免瞬態效應。

• 校準: 校準 (Cal. n, n = 校準迭代)通過以最大速率生成交易來確定系統的最大吞吐量

• 測量: 測量階段采集實際性能（工作負載為每秒操作數-“ssj_ops”）功率測量數據

 

每個階段都包括間隔，包括中間測量期、測量前后（PR、PO），以穩定功率和性能指標。

默認測量在校準工作負載的不同級別（即100%、75%、…、25%）進行，并保持120秒的持續時間，但可以根據工作負載進行調整。在此期間，每秒采集一次功率和溫度數據，并使用校準結果和目標負載水平計算交易率。

指定為睡眠（S）階段的負載水平之間存在延遲，這有助于運行后的可視化分析。

 

在整個測試過程中，LMG671功率分析儀不斷測量和記錄功耗，提供詳細的能量使用情況。然而，對于官方benchmark基準報告，使用了測量期間的平均功耗。所有這些間隔都足夠長，可以為一致的功率和性能測量提供足夠的穩定時間。最終，這根據負載提供了一個有意義的性能-功率曲線。

 

圖4: SPECpower benchmark基準的功率測量階段和間隔示例

 

作為整體工作的輸出，計算平均性能功率比，反映最終benchmark基準的結果。計算包括單個性能功率比。示例結果列于表2中。計算過程如下：

表2: SPECpower_ssj2008結果表單示例

 

可以看出，在單一性能功率比下，SUT的效率從空閑狀態提高到100%的目標負載，在80%的工作負載下分別達到其最佳比值效率。因此，可以說：

SUT每瓦功率產生的ssj_ops越多，SPECpower_ssj2008得分就越高，

因此SUT的效率也就越高！

 

知識點

SPECpower benchmark基準使用結構化方法對跨工作負載的服務器能效評估進行了標準化。該設置包括功率分析儀、溫度傳感器、被測系統（SUT）和控制器。準確的功率測量是關鍵，ZES ZIMMER高美測儀的LMG系列功率分析儀等工具可提供精確的測量數據。

PTDaemon管理與功率分析儀的通信，確保SUT處理工作負載時讀數準確。在不同負載區域段測量服務器的功耗，以確定其不同的效率。對于每個目標負載，確定的性能（操作次數）與功率比被平均為最終得分，這指明了SUT的效率。

 

行業標準

EN 303 470 標準專為服務器制造商、測試機構和監管機構而設計，對數據中心運營商、IT買家和顧問也很有價值。該標準有助于確保歐盟市場上的產品符合法規（EU）2019/424中規定的生態設計要求。LMG671在SPECpower基準中提供的測量精度支持EN 303 470的目標，幫助用戶根據可靠、可測量的能效數據做出明智的決策。

 

 

結語

總之，將ZES ZIMMER高美測儀LMG600系列功率分析儀（如LMG671）集成到SPECpower benchmarking基準框架中，為精確評估服務器能效提供了解決方案。最終，用戶可以實現一個極其重要的結果，相當于將光照射向黑暗，發現在這個負載下，SUT達到了很高的效率（性能與功率比），以確保在大多數高效負載下運行。

憑借實時數據記錄和靈活的通信接口等先進功能，它確保了準確的測量，使其成為專注于優化能源使用的數據中心和服務器制造商的重要工具。通過使用LMG600系列，用戶不僅可以滿足EN 303 470等能效標準， 還可以推進更廣泛的可持續發展目標。這將帶來更好的服務器性能、更低的能耗和更環保的IT基礎設施 ——這是遵守法規和提高長期效率的關鍵。

 

推薦產品

ZES ZIMMER?美測儀 LMG600 系列?精度功率分析儀

 

行業應?和功率分析儀功能

• 真有效值RMS測量：

在各種負載條件下進行精確的功率測量，確保正確記錄計算機服務器中的功率變化。

• 很高的測量精度：

最高精度為0.015%讀數，符合SPEC的精度要求。

• ?速數據記錄：

可以通過通信接口每秒記錄和存儲功率數據，以避免偽造的結果。

• 多帶寬信號并?處理：

支持同時測量和分析每個通道的多個功率頻譜（寬帶寬、窄帶寬、基頻）。

• 符合PTDaemon：

與SPECpower的控制軟件無縫集成，確保支持最新SPEC PTDaemon版本的benchmarking基準可靠測試。 

• 靈活的通信接?：

為了便于集成到PTDaemon中，支持LAN（千兆以太網）和串口（RS-232）通信，以連接benchmark基準 的控制器系統和LMG功率分析儀。

 

參考文獻

J. von Kistowski, K.-D. Lange, J. A. Arnold, S. Sharma, J. Pais, and H. Block, "Measuring and Benchmarking Power Consumption and Energy Efficiency," in *ICPE '18: ACM/SPEC International Conference on Performance Engineering Companion*, Berlin, Germany, Apr. 2018, pp. 9. doi: 10.1145/3185768.3185775.