State of the Art of Power Saving in Clusters and Results from the EDF Case Study

Energy management for mobile devices has been traditionally a well studied topic during the last two decades, as these devices usually do not have a permanent connection to the power grid and thus solely rely on the limited battery charge. However, this trend has been mostly disregarded in the context of HPC systems as the main focus mainly relied on improving the performance at any cost. Therefore, energy costs for operating and cooling the equipment of current data centers have increased significantly up to a point where they are able to surpass the hardware acquisition costs. In this work we survey the current energy conservation efforts in distributed systems. Hence, we start our work with the introduction of the basic principles of power and energy management. This involves the distinguishing between the two often misleading terms power and energy management. Furthermore, we present several approaches on how to measure the power consumption at system and component level. Moreover, in order to get a deeper understanding on where the most of the power is spent within a server, we take a closer look at its components (i.e. CPU, RAM, etc.) and outline the currently available energy-saving mechanisms. Given that energy consumption strongly depends on the workload characteristics we also discuss the different types of workloads (i.e. mobile, commercial and scientific). Afterwards, we continue with the current approaches for energy savings in distributed systems by focusing on both node and cluster-level efforts. Finally, we finish this survey with an outline of some open challenges and the introduction of the EcoGrappe project. Thereby, we detail its objectives and present some of the work done at our project partner EDF.La gestion de l'énergie pour les périphériques mobiles a beaucoup été étudié au cours des deux dernières décennies : les mobiles n'ont comme puissance énergétique que leur seule batterie et n'ont généralement pas de connexion permanente vers les puissantes grilles de calcul. Cependant, ce domaine n'a jamais été étudié de manière approfondie dans le contexte du calcul à haute performance (HPC), le principal objectif étant fondé sur le critère de performance. Ainsi, le coût en énergie dépensé pour le fonctionnement et le refroidissement des équipements informatiques des centres de calcul a augmenté de manière significative, jusqu'au point où celui-ci en devient plus élevé que le coût d'acquisition des systèmes informatiques eux-mêmes. Ce travail présente un état de l'art traitant de la maîtrise des dépenses énergétiques dans les systèmes distribués. Nous commençons notre étude en introduisant les fondamentaux et les différences liés à la gestion de la puissance et de l'énergie, deux termes très souvent confondu. De plus, nous proposons différentes approches pour mesurer la consommation d'énergie des systèmes complet (par exemple, un serveur) et des composants physiques le constituant. En outre, afin de comprendre précisément où est dépensé la majorité de l'énergie consommée par un serveur, nous étudions ses composants physiques (par exemple, le processeur, la mémoire, etc.) et exposons les mécanismes d'économie d'énergie que fournissent ses composants. La consommation d'énergie d'un système est directement liée aux caractéristiques de la charge de travail à effectuer, c'est pourquoi, nous présentons et discutons également des différents types de charge de travail (par exemple les charges de travail commercial, scientifique). Puis, nous présentons les approches courantes d'économie d'énergie dans les systèmes distribués en s'intéressant principalement aux grappes et aux noeuds les constituants. Enfin, nous terminons notre étude en présentant les défis restant à résoudre ainsi que le projet EcoGrappe. Nous détaillons ces objectifs et présentons des travaux fait à EDF, partenaire dans ce projet