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

1. Green ICT: Influencia de la energía en la ingeniería de prestaciones Carlos Juiz and Ramon Puigjaner cjuiz@uib.esputxi@uib.cat 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 2011

3. 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. UdC, A Coruña, diciembre 2011

4. 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 2011

5. 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? UdC, A Coruña, diciembre 2011

6. 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 UdC, A Coruña, diciembre 2011

7. 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 2011

8. 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 2011

9. 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. UdC, A Coruña, diciembre 2011

10. 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 2011

11. 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 2011

12. El problema energético de las TIC Source: The Report to Congress on Server and Data Center Energy Efficiency, 2007 UdC, A Coruña, diciembre 2011

13. El problema energético de las TIC UdC, A Coruña, diciembre 2011

14. 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. UdC, A Coruña, diciembre 2011

15. El problema energético de las TIC Reparto de la energía UdC, A Coruña, diciembre 2011

16. 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 2011

17. 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 2011

18. 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 2011

19. 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 2011

20. 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. UdC, A Coruña, diciembre 2011

21. 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 UdC, A Coruña, diciembre 2011

22. 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 UdC, A Coruña, diciembre 2011

23. 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. UdC, A Coruña, diciembre 2011

24. 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. UdC, A Coruña, diciembre 2011

25. 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. UdC, A Coruña, diciembre 2011

26. 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. UdC, A Coruña, diciembre 2011

27. 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 2011

28. 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 2011

29. 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 2011

30. 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. UdC, A Coruña, diciembre 2011

31. 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. UdC, A Coruña, diciembre 2011

32. 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. UdC, A Coruña, diciembre 2011

33. 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. UdC, A Coruña, diciembre 2011

34. 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. UdC, A Coruña, diciembre 2011

35. 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. UdC, A Coruña, diciembre 2011

36. 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 2011

37. 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. UdC, A Coruña, diciembre 2011

38. 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 2011

39. 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 UdC, A Coruña, diciembre 2011

40. 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 2011

41. 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 2011

42. GRACIAS POR VUESTRA AMABLE ATENCIÓN¿PREGUNTAS? UdC, A Coruña, diciembre 2011

43. Green ICT: Influencia de la energía en la ingeniería de prestaciones Carlos Juiz and Ramon Puigjaner cjuiz@uib.esputxi@uib.cat Universitat de les Illes Balears Palma, Spain UdC, A Coruña, diciembre 2011