LMG600系列SPECpower Benchmark数据中心服务器功耗和能效测量白皮书

高美测仪LMG600系列SPECpower Benchmark数据中心服务器功耗和能效测量白皮书

数据中⼼的功率性能⾏业基准测试——通过可靠的功率测量实现

在当今注重能源的世界中，优化数据中心的能效已成为IT基础设施的重点。随着对数据处理需求的增长，数据中心消耗了更多的能源，使服务器运行的能效成为评估现代技术环境中服务器性能的关键因素。因此，有效测量和基准化功耗以优化服务器能效的需求比以往任何时候都更加迫切。

主题

• 什么是 SPECpower benchmark 和 PTDeamon？

• 服务器性能和服务器功率有何不同？

• 功率分析仪如何促进SPECpower benchmark测试？

• 有哪些数据中心规划措施需要考虑？

• 服务器制造商需要遵守哪些标准？

• 有哪些benchmark基准测量将被执行，如何执行？

• Benchmark基准测试的结果是什么？

挑战

对于IT经理和数据中⼼运营商：

▪低能耗下的高性能（性能/功率比）

▪适当的能力规划和资源管理

▪基础设施的低成本和空间要求

▪遵守行业标准和法规

对于服务器级的计算机设备制造商：

▪高能效（每瓦运行）

▪产品差异化与市场竞争力

▪设备尺寸小和低噪音

▪低产品成本

▪遵守行业标准和法规

可以采取各种措施来提高数据中心基础设施的每瓦运行。该白皮书从单个器件的制造商开始，最终延伸到他们的交互和数据中心运营中的其他设施。

解决⽅案

对于IT经理和数据中⼼运营商：

▪使用虚拟化技术和工作负荷整合

▪使用高度优化和节能的硬件

▪具有功率上限的能源管理软件解决方案的操作

对于服务器级的计算机设备制造商：

▪改进的微架构（每个时钟周期的任务）

▪动态电压频率调整（DVFS）

▪电源门控和时钟门控

▪微调热效率多核设计

▪优化缓存利用率

▪以及更多

如何专业地提供和验证这些措施，以克服挑战？

为了解决上述问题，标准性能评估组织（SPEC）开发了SPECpower benchmark等工具，提供了测量服务器功耗的标准化方法，以提高能源效率。SPECpower benchmark测试及其接口PTDaemon（功率/温度程序或PTD）通过了解服务器在不同负载下的功耗性能以及其他选择标准，帮助IT经理、数据中心运营商和设备制造商做出更明智的决策。

该白皮书概述了如何在SPECpower benchmarking基准测试中使用功率分析仪，特别是我们的LMG600系列，重点介绍确保准确可靠的功率和能量测量的关键功能。

知识点

优化能源效率对数据中心和服务器制造商至关重要。IT经理和数据中心运营商专注于虚拟化和节能硬件，而这里使用的设备和装置的制造商则优先考虑高效设计和降低成本。SPECpower benchmark基准有助于衡量能耗，并支持明智的决策以提高效率。为了做到这一点并提供可靠和准确的基准结果，使用适当的测量仪器（如我们的LMG600功率分析仪系列）进行精确的功率测量是其中不可或缺的一部分。

SPECpower benchmark基准-设置和测量

SPECpower benchmark（第一个发布的名为SPECpower_ssj2008）的基本开发目的是规范各种工作负载中服务器能效的评估。它通过提供一种结构化的方法来测量能耗和性能，从而简化了比较。

相应的测试平台设置由四个主要硬件组件组成：

• SPECpower委员会批准认可的功率分析仪

• 温度传感器

• 作为工作负载的被测系统SUT (System Under Test as workload)

• 相应的控制器

关键的部分是集成精确的功率测量工具，如ZES ZIMMER高美测仪的LMG系列功率分析仪，这些仪器得到了SPECpower功率委员会的正式支持和认可，是精确功率测量的受批准认可的仪器。我们的功率分析仪在服务器运行期间提供精确测量的有功功率和能量数据，使数据中心运营商和协会能够 更好地了解其服务器的性能和能源使用情况，最终帮助他们优化系统的效率。

图1.显示了包含我们的LMG671功率分析仪的典型SPECpower测试设置。

图1：LMG671功率分析仪与SPECpower benchmark基准测试环境的集成

在benchmarking基准测试期间，每个设备都由SPEC的PTDaemon的专用实例管理。该软件处理与连接的功率分析仪和传感器的通信，使被测系统（SUT）能够专注于运行工作负载任务。通过将功率测量加载到 PTDaemon，SUT不会负担过重，从而确保了准确的能耗读数和可靠的性能数据。

图2: SERT 2.0.1软件PTDaemon设置向导的截图

在SERT Suite的PTDaemon配置中，可以选择以下几个经过认可和测试的ZES ZIMMER高美测仪LMG系列功率分析仪：

LMG671使用专用协议或串口（RS-232）通过TCP与PTDaemon通信并交换数据，从而实现精确控制和数据收集。SPECpower的方法是测量不同负载区域段下的能效，以评估从满载到空载的各种条件下的服务器性能。

在每个阶段，都会采集功耗数据，提供有关服务器效率如何随不同工作负载变化的详细信息。在SUT上完成的工作称为worklet，可以将多个worklet分组到一个工作负载中。SPEC服务器效率评级工具（SERT）等软件将多个worklet集分组到工作负载中。基准的11个阶段将目标负载从100%降低到0%（idle），以考虑空载功率下的能耗。如图3所示，目标负载利用率的顺序以10%的增量从100%降低到0%。

图 3: 负载利用率区域段, (Su, et al., 2022)

按递减顺序测量这些点，可以将每个级别的负载变化限制在10%以内，从而实现更稳定的功率测量。使用递增顺序会导致从最终校准间隔到第一个目标负载从100%跃降到10%，并在运行结束时从100%跃降至空载。

知识点

SPECpower benchmark基准使用结构化方法对跨工作负载的服务器能效评估进行了标准化。

该设置包括功率分析仪、温度传感器、被测系统（SUT）和控制器。准确的功率测量是关键，ZES ZIMMER高美测仪的LMG系列功率分析仪等工具可提供精确的测量数据。

PTDaemon管理与功率分析仪的通信，确保SUT处理工作负载时读数准确。在不同负载区域段

测量服务器的功耗，以确定其不同的效率。

工作负载调度、结果采集和测试执行由位于SUT中的Chauffeur框架管理，工作负载在SUT中执行。控制器和主机之间的通信通过用于同步和数据采集的网络接口进行。PTDaemon客户端API Java模块，可集成到benchmark基准测试中，以简化PTDaemo与benchmark基准测试代码之间的通信。

在控制器上，控制器组件与SUT上运行的主机通信。每个逻辑CPU由主机分配一个客户端，通过关联提供器绑定到CPU。工作负载在客户端上按顺序运行，通过运行多个客户端或使用多线程实现并行性。功率分析仪测量SUT的总功耗，而温度传感器则确保环境条件的一致性，减少温度波动带来的不准确。

基准benchmark的操作阶段

基准过程benchmark的测试序列包括三个主要的操作阶段，如图4所示：

• 预热: 在预热阶段（W），没有记录功率数据，需要系统稳定，避免瞬态效应。

• 校准: 校准 (Cal. n, n = 校准迭代)通过以最大速率生成交易来确定系统的最大吞吐量

• 测量: 测量阶段采集实际性能（工作负载为每秒操作数-“ssj_ops”）功率测量数据

每个阶段都包括间隔，包括中间测量期、测量前后（PR、PO），以稳定功率和性能指标。

默认测量在校准工作负载的不同级别（即100%、75%、…、25%）进行，并保持120秒的持续时间，但可以根据工作负载进行调整。在此期间，每秒采集一次功率和温度数据，并使用校准结果和目标负载水平计算交易率。

指定为睡眠（S）阶段的负载水平之间存在延迟，这有助于运行后的可视化分析。

在整个测试过程中，LMG671功率分析仪不断测量和记录功耗，提供详细的能量使用情况。然而，对于官方benchmark基准报告，使用了测量期间的平均功耗。所有这些间隔都足够长，可以为一致的功率和性能测量提供足够的稳定时间。最终，这根据负载提供了一个有意义的性能-功率曲线。

图4: SPECpower benchmark基准的功率测量阶段和间隔示例

作为整体工作的输出，计算平均性能功率比，反映最终benchmark基准的结果。计算包括单个性能功率比。示例结果列于表2中。计算过程如下：

表2: SPECpower_ssj2008结果表单示例

可以看出，在单一性能功率比下，SUT的效率从空闲状态提高到100%的目标负载，在80%的工作负载下分别达到其最佳比值效率。因此，可以说：

SUT每瓦功率产生的ssj_ops越多，SPECpower_ssj2008得分就越高，

因此SUT的效率也就越高！

知识点

SPECpower benchmark基准使用结构化方法对跨工作负载的服务器能效评估进行了标准化。该设置包括功率分析仪、温度传感器、被测系统（SUT）和控制器。准确的功率测量是关键，ZES ZIMMER高美测仪的LMG系列功率分析仪等工具可提供精确的测量数据。

PTDaemon管理与功率分析仪的通信，确保SUT处理工作负载时读数准确。在不同负载区域段测量服务器的功耗，以确定其不同的效率。对于每个目标负载，确定的性能（操作次数）与功率比被平均为最终得分，这指明了SUT的效率。

行业标准

EN 303 470 标准专为服务器制造商、测试机构和监管机构而设计，对数据中心运营商、IT买家和顾问也很有价值。该标准有助于确保欧盟市场上的产品符合法规（EU）2019/424中规定的生态设计要求。LMG671在SPECpower基准中提供的测量精度支持EN 303 470的目标，帮助用户根据可靠、可测量的能效数据做出明智的决策。

结语

总之，将ZES ZIMMER高美测仪LMG600系列功率分析仪（如LMG671）集成到SPECpower benchmarking基准框架中，为精确评估服务器能效提供了解决方案。最终，用户可以实现一个极其重要的结果，相当于将光照射向黑暗，发现在这个负载下，SUT达到了很高的效率（性能与功率比），以确保在大多数高效负载下运行。

凭借实时数据记录和灵活的通信接口等先进功能，它确保了准确的测量，使其成为专注于优化能源使用的数据中心和服务器制造商的重要工具。通过使用LMG600系列，用户不仅可以满足EN 303 470等能效标准， 还可以推进更广泛的可持续发展目标。这将带来更好的服务器性能、更低的能耗和更环保的IT基础设施 ——这是遵守法规和提高长期效率的关键。

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ZES ZIMMER⾼美测仪LMG600 系列⾼精度功率分析仪

行业应⽤和功率分析仪功能

• 真有效值RMS测量：

在各种负载条件下进行精确的功率测量，确保正确记录计算机服务器中的功率变化。

• 很高的测量精度：

最高精度为0.015%读数，符合SPEC的精度要求。

•⾼速数据记录：

可以通过通信接口每秒记录和存储功率数据，以避免伪造的结果。

• 多带宽信号并⾏处理：

支持同时测量和分析每个通道的多个功率频谱（宽带宽、窄带宽、基频）。

• 符合PTDaemon：

与SPECpower的控制软件无缝集成，确保支持最新SPEC PTDaemon版本的benchmarking基准可靠测试。

• 灵活的通信接⼝：

为了便于集成到PTDaemon中，支持LAN（千兆以太网）和串口（RS-232）通信，以连接benchmark基准 的控制器系统和LMG功率分析仪。

参考文献

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.

审核编辑 黄宇