Hat die Wahl der CPU Auswirkungen auf den Energiehaushalt einer Standard-Serverfarm?

Hat die Wahl der CPU Auswirkungen auf den Energiehaushalt einer Standard-Serverfarm?

Wie wirkt sich die Wahl der CPU auf das Energiebudget einer Standardserverfarm aus? Ich frage mich, wie viel es pro Jahr kostet, die Standardserver, die Facebook, Twitter und andere verwenden, mit Strom zu versorgen.

Nehmen wir einen solchen typischen Server – einen Intel Xeon-Prozessor X5650 – und eine typische Last, bei der alle 12 Kerne jeweils mit 90 % ihrer Kapazität laufen.

Wie hoch wäre der jährliche Stromverbrauch? Welche Annahmen müssen außer dem oben genannten Szenario getroffen werden? Und wie viel würde dies ein Unternehmen kosten, das in der oben genannten Größenordnung arbeitet? Wie sieht es mit der Kühlung aus? Wie viel kostet die Kühlung eines solchen Servers?

Wenn die Last beispielsweise auf 45 % reduziert würde, um welchen Prozentsatz würden die Strom- und Kühlkosten sinken?

Antwort1

Ihre ursprüngliche Frage istvollständigzu breit, da es unmöglich ist, auch nur eine grobe Schätzung der tatsächlichen Dollarbeträge vorzunehmen, da esNures sind viel zu viele Variablen beteiligt (Hunderttausende). Ich werde nicht einmal versuchen, eine Zahl zu nennen. Stattdessen werde ich nur einen bestimmten Aspekt der Hosting-Kosten diskutieren: die CPU.


CPUs!

Die CPU-Betriebskosten hängen abschwerauf derGenerationdes Servers.

VonGenerationDamit meine ich ungefähr den Zeitpunkt der Veröffentlichung des Prozessors, aber noch wichtiger, auf welcher Architektur er basiert.

Da Prozessoren immer komplexer und fortschrittlicher wurden, wurden auch anspruchsvollere Energieverwaltungsfunktionen entwickelt. Werfen wir einen Blick auf die Entwicklung der Energieverwaltung von Intel-Prozessoren und denken Sie daran, dass alle Funktionenkumulativim Laufe der Zeit, was bedeutet, dass eine Funktion, die in einem älteren Prozessor vorhanden war, wahrscheinlich auch in neueren Prozessoren vorhanden ist, in neueren Prozessorgenerationen jedoch verbessert oder effizienter sein kann.

Ein extremes Beispiel: Sie sehen sich einen sehr alten Serverchip an, so etwas wie einenPentium II Xeon, fällt Ihnen vielleicht auf, dass das Datenblatt nichts über Energiespartechnologie erwähnt. Dieser Chip nutzt seine maximale TDP praktisch immer.

Etwas neueres (aber immer noch sehr alt - ~2005), wie einXeon 3.80E, das etwas neuer als der Pentium IV, aber älter als die „Core“-Architektur ist, zeigt erste Anzeichen dafür, dass Intel auf Energieeinsparungen bedacht ist: Im Produktdatenblatt ist die „Intel SpeedStep Technology“ aufgeführt.

Springen Sie weiter zu einem Core2-Mikroarchitektur-basierten Xeon (~2008), wie diesemX5365, und Ihnen fallen mehrere Dinge auf:

  • Die CPU hatLeerlaufzuständeEnergiesparfunktion, die bedeutet, dass das Gerät in einen Energiesparmodus wechseln kann, der irgendwo zwischen „Ausschalten“ und „Vollbetrieb“ liegt, wenn es nicht aktiv ist. Es kann den Ruhezustand Dutzende oder Hunderte Male pro Sekunde wechseln und so sehr „feinkörnige“ Energieeinsparungen erzielen.

  • Die SpeedStep-Technologie, die wir zuvor gesehen haben, ist jetztErweitertSpeedStep-Technologie, die feinkörniger ist, d. h. die CPU kann auf eine bestimmte Spannung herunterfallen, die genau zur aktuellen Arbeitslast passt. Wenn die Arbeitslast zunimmt oder abnimmt, kann sie sowohl die Lüftergeschwindigkeit als auch den Stromverbrauch der CPU basierend auf den Änderungen der Arbeitslast skalieren (selbst wenn die Arbeitslast mehr als einmal pro Sekunde schwankt).

  • Beginnend mit der Core-Mikroarchitektur verkauft Intel Xeon-Prozessoren mit dem Präfix „L“ für „Low-Voltage“. Diese Prozessoren haben eine geringere Thermal Design Power (TDP), was bedeutet, dass sie so konzipiert sind, dass sie konstant mit weniger Energieverbrauch arbeiten (hauptsächlich durch den Betrieb mit niedrigerer Spannung) als ihre stromhungrigeren Gegenstücke. Diese Teile werden angeboten alseine Option, denn durch die Verwendung der normalen stromhungrigen Teile, denen ein „E“ oder „X“ vorangestellt ist, lässt sich etwas mehr Leistung erzielen.

  • Es wird die Intel Demand-Based Switching-Technologie verwendet. Zitat von der Intel-Website:

    Intel® Demand Based Switching ist eine Energieverwaltungstechnologie, bei der die angelegte Spannung und Taktrate eines Mikroprozessors auf dem erforderlichen Mindestniveau gehalten werden, bis mehr Rechenleistung benötigt wird. Diese Technologie wurde als Intel SpeedStep®-Technologie auf dem Servermarkt eingeführt.

Springen Sie weiter zu einem auf der Nehalem-Mikroarchitektur basierenden Xeon, wie diesemX3480, und Ihnen fallen mehrere Dinge auf:

  • Intel Turbo Boost-Technologie; diese CPU läuft die meiste Zeit mit sehr energieeffizienter Geschwindigkeit (großartige Leistung pro Watt), aber wenn die CPU sehr hohe Auslastungsspitzen erfährt, kann sie die normale TDP überschreiten (was zu einem höheren Stromverbrauch und geringerer Effizienz führt), um im „Turbo“-Modus mehr Leistung zu liefern.

  • Hyper-Threading; das bedeutet, dass Sie vier Kerne mit Leistung betreiben könnennahewas die Leistung mit acht Kernen wäre, aber mit sehr hoher Effizienz. Hyperthreading ist sowohl ein kostensparender als auch ein stromsparender Mechanismus, der es Ihnen ermöglicht, bessereLeistung pro Watt(Sie stecken die gleiche Energie hinein, bekommen aber mehr Leistung heraus, als bei Prozessorenohne(Hyperthreading).

Springen Sie vor zu einem Westmere (Nehalem-C, auch bekannt als der Shrink von Nehalem)Xeon X5650, danach haben Sie in Ihrer Frage gefragt, und die Situation ist hinsichtlich des Stromverbrauchs im Grunde die gleiche wie beim oben genannten ursprünglichen Nehalem, außer dass Sie aufgrund der geringeren Fertigungsgröße insgesamt einen etwas geringeren Stromverbrauch haben werden.

Jetzt, nach Westmere/Nehalem, haben wirdreiWeitere Mikroarchitekturen sind erforderlich, um uns bis zum heutigen Tag zu bringen:

  • Sandy Bridge, 2011, eine 32-nm-Prozessorfamilie mit einer neuen Mikroarchitektur (auch „Tock“ genannt);
  • Ivy Bridge, 2012, eine 22-nm-Prozessorfamilie basierend auf der Sandy-Bridge-Mikroarchitektur, jedoch mit geringerem Stromverbrauch und besserer Energieeffizienz (auch „Tick-Plus“ genannt);
  • Haswell, 2013, eine 22-nm-Prozessorfamilie mit einer neuen Mikroarchitektur (auch „Tock“ genannt).

Jede dieser aufeinanderfolgenden Prozessorgenerationen hat uns bessere Energieverwaltungsfunktionen beschert, da dies derzeit aus mehreren Gründen einer der Hauptschwerpunkte von Intel ist:

  • Sie liefern x86-Tablets mit sehr geringer Akkukapazität aus, die stromsparende Prozessoren benötigen.
  • Rechenzentren möchten ihre Energie-, Heiz- und Kühlkosten senken.
  • Da der normale Desktop-Benutzer nicht mehr und nicht mehr immer mehr Rechenleistung benötigt, kann er seine Energiekosten, Wärmeabgabe usw. senken, indem er auf effizientere Prozessoren umsteigt, die zwar bescheidenere Leistungssteigerungen bieten, den Stromverbrauch jedoch drastisch senken.
  • Da die Prozessoren intern immer komplexer werden, gibt es mehr Raum für kompliziertere Logik und Schaltkreise, die genau berechnen, wie viel Strom benötigt wird, um die aktuelle Arbeitslast effizient zu bewältigen und gleichzeitig die Verschwendung auf ein absolutes Minimum zu reduzieren. Intel hat in den letzten CPU-Generationen stark in diese Technologie investiert.

  • Ein Sandy Bridge Low-Voltage Xeon, wie derE3-1260L, Istganzeffizient und gleichzeitig Quad-Core mit Hyperthreading. Seine 45 Watt TDP sollten nicht als Hinweis darauf gewertet werden, dass er langsam ist; ganz im Gegenteil – er ist sogar viel schneller als 105 W TDP-Prozessoren von vor nur wenigen Jahren.

  • Ein Ivy Bridge Low-Voltage Xeon, wie derE3-1265L v2, ist sogar noch effizienter als der 1260L, hat immer noch eine TDP von 45 Watt, aber eine deutlich bessere Leistung und einen CPU-integrierten Spannungsregler für eine extrem schnelle Reaktion auf Spannungsänderungen.

  • Ein Haswell Low-Voltage Xeon, wie derE3-1265L v3stellt in puncto Energieeffizienz den Höhepunkt dessen dar, was derzeit auf dem Markt erhältlich ist, mit immer noch 45 Watt TDP, aber dennoch besserer Leistung und mehr Energiesparfunktionen.

Natürlich gibt es außerhalb der Low-Voltage-Kategorie auch leistungsstärkere Xeons in der aktuellen Serie, wie zum Beispiel den15-adrigE7-8890 v2, der im ersten Quartal 2014 auf den Markt kommen soll, ist ein unglaublich hochwertiges Produkt mit einer TDP von 155 Watt (sehr viel für eine CPU) - der große Unterschied besteht darin, dass dieser Prozessor mit all diesen High-End-Kerneneine Mengemehr als ein Niederspannungschip.

Insgesamt wird Ihr X5650, der vier Generationen von der aktuellen Generation entfernt ist (er hat übrigens nur 6 Kerne mit Hyperthreading, nicht 12 Kerne), mit so etwas wie einem Quad-Core-Xeon der Marke „E3“ aus der Ivy Bridge- oder Haswell-Generation konkurrieren können, obwohl er mehr Kerne hat. Die neueren CPUs haben eine höhere Taktrate, mehr L3-Cache, unterstützen schnelleren RAM und sind energieeffizienter als ein älterer X5650, was bedeutet, dass sie mit ihm mithalten können, obwohl sie weniger Kerne haben.


Auswirkungen der Lastanpassung auf die Kosten

Wenn die Last beispielsweise auf 45 % reduziert würde, um welchen Prozentsatz würden die Strom- und Kühlkosten sinken?

Wenn es sich bei den CPUs um moderne CPUs (Sandy Bridge, Ivy Bridge oder Haswell) handelt, ist es wahrscheinlich, dass die Strom- und Kühlkostenfür die CPU allein(ganz zu schweigen von Motherboard, Festplatte, RAM usw.) würde wahrscheinlich ausfallenungefähr linearmit reduzierter Belastung. Das ist jedenfalls das ultimative Ziel: Wenn Sie X Anweisungen pro Sekunde wollen, kostet das $YYY; wenn Sie X*10 Anweisungen pro Sekunde wollen, kostet das $YYY*10. Lineare Skalen sorgen für sehr vorhersehbare Wirtschaftlichkeit, und das ist es, was Intel anstrebt.

Natürlich waren die CPUs der älteren Generation nicht einmal annähernd linear, da sie allein im Leerlauf eine Menge Strom verschwendeten und selbst bei voller Auslastung die verfügbaren Ressourcen nicht optimal nutzten, da ihnen Funktionen wie HyperThreading fehlten.


Der Versuch (sehr vage) zu skizzieren, wie man eine Antwort auf Ihre ursprüngliche Frage finden könnte

Nachdem Sie nun alle Einzelheiten über CPUs kennen, verrate ich Ihnen ein Geheimnis: CPUs machen nicht den Großteil der Betriebskosten großer Websites aus. Die größten Kosten sindMitarbeiter,Einrichtungen(Immobilien, Grundstücke, Rechenzentren usw.) undKühlung.

Um die Betriebskosten für beispielsweise Facebook oder Twitter überschlägig zu ermitteln, müssen Sie Folgendes berücksichtigen:

  • Selbst wenn sie die neuesten CPUs verwenden, zahlen sie immer noch für Strom zur Kühlung (dies ist natürlich günstiger, wenn es draußen sehr kalt ist, als im Sommer, wenn die Kühlung der Server sehr teuer sein kann). Die Kühlkosten variieren, je nachdem, ob sie „netzunabhängigen“ Strom (Wind, Sonne) verwenden oder Strom vom Energieversorger kaufen, der ihn aus Kohle oder Atomkraft usw. erzeugen kann. Die Kosten variieren auch stark von Land zu Land, da die Energiekosten von Region zu Region unterschiedlich sind, je nachdem, woher sie ihre Energie beziehen, wie groß die Nachfrage ist usw.

  • Motherboards, Festplatten, SSDs, RAM, Lüfter, Netzwerkgeräte, Beleuchtung, Sicherheitsausrüstung, Büros für Mitarbeiter usw. verbrauchen zusätzliche Energie, und die hier anfallenden Kosten können variierenwildabhängig davon, wie effizient der Vorgang ausgeführt wird.

  • Die Kosten für die Einrichtungen hängen davon ab, wie viel Wert auf Sicherheit und Schutz gelegt wird. Beispielsweise verursachen Dieselgeneratoren als Backup erhebliche Kosten, sowohl in Bezug auf Kraftstoff, regelmäßige Tests der korrekten Funktion der Generatoren, Batteriepacks (zur Aufrechterhaltung einer konstanten Stromversorgung während des Anlaufens der Dieselgeneratoren) usw. Ohne diese Kosten ist Ihr Rechenzentrum im Falle eines Stromausfalls eher von Totalausfällen betroffen, aber die täglichen Betriebskosten werden erheblich gesenkt. Außerdem steigen die Kosten für Dinge wie Überwachungskameras, bewaffnete Wachen, Ausweisleser usw., die auch als „optionale Extras“ betrachtet werden können, wenn Sie wirklich auf das Nötigste verzichten möchten.

  • Sie müssen auch dieDefinition der Frage, die Sie stellenum genaue Zahlen zu ermitteln. Werden beispielsweise IT-Support-Spezialisten, die die Serverhardware und das Netzwerk warten, als Teil der Betriebskosten eines Rechenzentrums betrachtet? Werden die Programmierer, die die Software schreiben, in die Kosten einbezogen? Und Systemadministratoren? Und Manager? Und Hausmeister, die den Boden reinigen und Glühbirnen austauschen? Und Steuern, die sie dem Staat schulden? Wo hören Sie auf, die Kosten zu messen? Dies alles ist Teil der Definition Ihres Problems, und da ich kein Hellseher bin und nicht genau weiß, was Sie fragen, werde ich nicht versuchen, eine dieser Fragen zu beantworten. Die meisten davon sind für SuperUser ohnehin nicht relevant.

Nachdem ich das alles gesagt habe, bin ichTrotzdemIch werde keine groben Schätzungen in Dollar vornehmen. Das müssen Sie selbst herausfinden, basierend auf den Annahmen, die Sie über die Betriebsabläufe des Unternehmens, die Stromkosten, die Außentemperatur, die Arbeitskosten usw. treffen möchten.

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