AMD Opteron™处理器与具备优化功耗管理技术(optimized Power Management, OPM)的AMD PowerNow!技术

　　数据中心(data Center)已经不单纯是一个堆满了机架式服务器的房间——它是一套系统。事实上，数据中心已经变得异常复杂——处理器、机架系统、电力系统、数据储 存、冷却系统、网络与通讯管线……等等如此众多的基础设施——几乎可以视为一个智能型生态系统，只要输入能量，就像是一个独立运作的小世界。它掌控了企业 内外所有关键性商业与科学的运算需求。

　　数据中心众多组件的速度、容量、功耗密度逐步上升，{zd0}效能与价格二者之间的互相依 赖性也不断提高。处理器的耗电、晶体管密度及其所产生的高热和电力需求，都与数据中心的获利密切相关;在成本极为敏感的微利时代，IT管理者面对前所未有 的成本管理压力，再也不容许数据中心的成本曲线不受控制。

　　AMD提出了许多技术以解决这一困难，并运用其传统在低耗电、高效能处理器、整合及 电力管理等方面的雄厚资本，结合了AMD 皓龙处理器与具备优化功耗管理(optimized Power Management, OPM)的AMD PowerNow! ™技术，在数据中心扩张的关键时刻，提供了信息管理一整套全新的选择。此文件验证以下的技术如何达到以往无法企及的效能、密度及低运营成本。

　　联合行动(Joining Forces)

　　AMD 皓龙处理器在高效能、低耗电方面拥有极为优良的声誉，业界{lx1}的动态功耗管理(OPM)解决方案——AMD PowerNow! ™技术，于2000年6月首度发表;事实上，AMD是{dy}家将动态频率及电压支持(P组态)功能导入x86处理器的厂商，随着此技术不断提升，当不需要 CPUxx能执行时，可按需提供效能(performance on demand)而大幅降低功耗。在{zx1}、{zxj}的型态，具备OPM功能的AMD PowerNow!技术，无需改变内存/前端总线的速度，即可在业界标准的ACPI(Advanced Configuration and Power Interface)程序管理下，让处理器以多重频率和电压工作。

　　结合AMD率先推出的双核心技术——将2颗完整的64位处理器封装在单一芯片 上，AMD PowerNow! ™技术为数据中心经营者(管理人)提供了物超所值的价值与效能的解决方案:如后文中所详述(请见「内建的效能“designed-in efficiency”」)。AMD 皓龙处理器在设计之初，即拥有多核心的能力，因此由单核心转移到双核心处理器时，能够简单且具透明性，只需BIOS升级。此外，AMD双核心技术与单核心 使用相近的功耗即可运行，提供每一瓦电力{zy}化效能。

　　优化过的CPU功耗为数据中心省下的利益看似微不足道，但是随着处理器的增加利益会 日益凸显;处理器所需的用电量将极为可观。冷却处理器所需的用电量与电源供应器也是一样。 AMD提供更大的CPU密度(granularity)，同时降低总体耗电量，数据中心无须改用大容量冷却系统，就能够以更高的密度和更少的设施成本建立 数据中心。

　　功耗挑战与TCO(Power Challenge and TCO)

　　数据中心的机架密度和耗电量增加时，管理者并不能总选择重建基础设施;事实上，数据 中心的设计通常都会考虑延续使用20年的期限。AMD了解这一情况后，就把设计和制造低功耗、低热量处理器作为目标，许多现有的数据中心是依据热区 (heat local)每平方英尺40～70瓦来设计，然而，在现今的数据中心的环境中，{zg}密度的机架区域每平方英尺可能超过200瓦，因此设计者指定新的数据中 心必须能够应付每平方英尺350～500瓦。

　　长期以来，冷却所需的用电量一直被视为固定成本，然而智能型冷却系统的设计，加上具 备AMD PowerNow! ™技术的系统，能够依据工作负载所需的效能，弹性调整用电量，使冷却的用电量成为一项可变、可管理的成本，部署各项设施所需的用电成本同时也成为可管理 的，因为处理器在系统的总耗电量中占了相当大的百分比。

图一

　　在防止总成本曲线失控上，是极端重要的。在2年前，当数据中心部署了一般的机架，耗 电量2千瓦，每平方英尺并发出40瓦热量;而新型、高密度的机架，每一机架的耗电量更可能高达10、15、甚至25千瓦，而且在十年内，每平方英尺发射出 的热量更可能高达500瓦，建造数据中心的成本，包含冷却系统在内，将会直线上升。如果数据中心每平方英尺需要大约400美元的建造成本，才能应付每平方 英尺40瓦费弃热量，那么所需的空调成本、电力、配电系统、及其它设备，可能使得每平方英尺要花上5,000美元。如此一来，一个50,000平方英尺的 设施，几年前可能要花上2千万美元，但现在，若依据未来热区的需求来建造，却可能要花上2亿5千万美元。

　　冷却是使数据中心建造成本大幅增加的最主要因素，现今机架系统增加的电力密度，使得 温度的上升更加快速，相较于旧式的、低密度的系统，每平方英尺40瓦的热区，10分钟上升华氏25度，每平方英尺300瓦则不需要1分钟就会上升同样的温 度。(请参阅图1)

　　如此令人惊讶的上升幅度代表了2件事:

　　1. 拥有如此高密度机架的数据中心，必须配备不间断的冷却系统。

　　2. 资料处理设备必须能够承受温度上升，而且万一冷却系统故障或损坏时，还必须能够规律地自我调整并降低执行的温度。

　　为当今密集、高热的机架系统提供备援、不间断的冷却系统，已经日渐普及，并已由广为 采用的n+1式备用冷却系统转换至2n+1架构，这显然非常昂贵，但为了管理现今高效能服务器所制造的热区，{jd1}必要。(请参阅图2.由系统组件所输出的 高温)

图二

　　这些资料解释了一个事实，任何能够降低功耗和提升运算效率的事情，都是聪明的投资。 因此，基于低温高效处理器的系统，取代刀片服务器(blade)和机架，远比建构新设备来存放不需要的高热组件，更能省下大把钞票。

　　与生俱来的效能(Designed-In Efficiency)

　　即使不搭配AMD PowerNow! ™技术，现有的AMD 皓龙处理器产品线也是高密度服务器应用的出色选择。举例而言，标准耗电的AMD皓龙双核心处理器，加上集成在内的内存控制器，最多只会产生95瓦热量。 AMD PowerNow! ™技术运用分段式的低频率和低电压，提升电力运用的效能，可降低用电量达43%，在低负载下估计可降低60%，待机状况下则可降低75%。

　　双核心AMD 皓龙处理器在设计之初，就采多核心的设计，在一颗芯片上配备2颗xx相同的处理器——而不只是包在一起，提供了许多重大的优点:

　　1. 「主要」的组件——硬盘、变压器、总线接口及其它类似的组件——是耗电量{zg}的，如果这些组件可由2个逻辑的核心来分担，显而易见的优点就是大幅降低耗电 量。

　　2. 芯片内部互连原本就比芯片之间的互连更快，并在效能上占了巨大的优势。通过芯片内建的系统工作排程，调节往返CPU核心的数据流量，是整体设计的集成组件 之一。

　　3. AMD PowerNow! ™技术的P组态可自动同步各个CPU核心，以便工作负载可以合理的分担，并以{zd1}的电力提供{zg}的整体效能。

　　4. 双核心AMD 皓龙处理器与单核心版本使用相同的插槽，在大多数系统上，只需更新BIOS即可执行，并且与单核心AMD 皓龙处理器采用相同的封装，只是拥有更高的效能，且每瓦效能也更佳。

　　直连架构(Direct Connect Architecture)指出并协助克服真正的挑战和系统瓶颈，CPU与CPU直接互连、CPU与I/O直接互连、以及内存与CPU直接互连，降低 CPU等待、降低耗电量。AMD 皓龙处理器内建的内存控制器非常有效地去除了传统的「北桥」芯片，这对于整体系统当然是非常有利，因为服务器电路板上的每一颗硅芯片都要花钱，而且会产生 高热。

　　对于老手而言，主机板上分离的内存控制芯片不见了，是相当一目了然的;因此电路板上 的芯片、节省的电力、以及整体成本等等所省下来的花费不难想见，并且可以具体量化。再一次指出，AMD皓龙双核心处理器，将内存控制器和2颗CPU整合在 同一颗芯片上，AMD已去除了总线接口芯片、同步讯号、以及类似的日常消耗(overhead)，每一系统降低功耗数十瓦，所伴随而产生的高热负载亦大幅 降低。其效益的累积异常迅速，机架式系统更加可观。

图三

　　机架密度(Rack Density)

　　低耗电与标准耗电两种版本的AMD 皓龙处理器都提供具备OPM功能的AMD PowerNow! ™技术，AMD为数据中心管理者提升前所未有的弹性，可能针对机架密度、处理器数量、以及处理器效能作{zy}化的调整，例如，当省电比处理器高速运算更重要 时，AMD 皓龙HE处理器家族可提供{zj0}效能，包含双核心64位指令集，以及同样具备OPM功能的AMD PowerNow! ™技术，可在{zg}只有55瓦的耗电量下，实现出色的机架密度，并提供令人非常满意的效能;与所有的AMD 皓龙处理器一样，AMD 皓龙HE处理器在待机状况下{zg}可节省75%的电力。

　　有一个实际案例，是以一个公用的电力计算程序，在供电下降9KVa之下装配48u机 架。电力计算程序统计了处理器的数量与速度、RAM的数量、PCI卡的数量、硬盘的数量与容量，测试一颗知名的、与之相应的工作站/服务器CPU，估计出 机架的热量/电力{zd0}只能安装容量是23台1u刀片服务器。但是在xx相同的条件下，却可安装29台AMD 皓龙处理器架构的刀片服务器，增加了25%。(请参阅图3)

　　以上数字仅是估计值，而任何模拟比较，应该提供双方相同总电力和热量的机箱，然而， 其利益确实非常清楚而具体:每一瓦、每一平方英尺、以及每一BTU的运算能力，AMD 皓龙处理器搭配上具备OPM功能的AMD PowerNow! ™技术，全部都遥遥{lx1}。

　　带OPM的PowerNow技术的细节

　　AMD在2000年x86时代，首度在AMD K6-2处理器上加入动态频率与动态电压支持(P组态)，AMD PowerNow! ™是一项突破性的技术，而且是现今最{jd0}的处理器电力管理解决方案之一，通过业界标准的ACPI调用(ACPI calls)即可安装。

　　ACPI原本是为了笔记本电脑的电力管理而发展出来的，不过在其{zx1}版本，已经转变 为独立于操作系统之外的电力管理方案，以其原有的多重处理器支持，在支持P组态的平台上，可以依据工作负载调整每一颗处理器的耗电量。

　　AMD PowerNow! ™技术建立了多种P组态的组合(请参阅图4)，虽然这些组态也可以在BIOS中定义及管理，不过，在多处理器系统上，却是在操作系统的核心中执行，而 AMD 皓龙处理器的响应速度非常迅速，在几微秒之内就能完成P组态的改变，使处理器的用电量与速度得以充分配合工作负载，结果，不仅xx不会产生不必要的高热， 并且在极端不连续的工作负载之下也是一样。

图四

　　{zg}的P组态是处理器在全频率、全电压之下执行，但是在非高峰状况下，频率可能一路 下滑到1GHz的「待机」状态，相较于全速执行时可节省75%的电力，微细切割(granularity)是使总耗电量降到{zd1}的关键:就如同列队特技飞 行的喷射战斗机依据地形追踪雷达「拥抱」地面一般，具备优化电源管理技术(optimized Power Management, OPM)的AMD PowerNow! ™技术也不断地调整每一颗处理器的效能。倘若单纯只有高、中、低的设计，根本无法在{zd0}效能与耗电量之间提供{zy}化的平衡。虽然ACPI原本是由几家厂商 与微软共同开发出来的，但它却是与操作系统相独立的，它也可以应用于其它的操作系统，包括Linux，而且将来也会有Solaris的版本。这表示AMD PowerNow! ™技术的优点也可以延伸到其它AMD Opteron™处理器架构的平台上。

　　微软Windows XP有许多种电源关闭的状态，包括全局权限(Global-level)、睡眠组态、储存设备安全管理状态(device-level)、以及4种针对 CPU的C组态，在其{zg}耗电量、或一般(Normal)状态(C0)下，处理器的驱动程序会强制将「效能组态」再细分成任何数量，而AMD PowerNow! ™就是安装在此一驱动程序内，只要是在C0状态下，AMD PowerNow! ™都会独立运作，不受Windows XP干涉。

　　虽然服务器的操作系统会牵涉到睡眠状态是有一点不寻常，不过，当操作系统即将进入待 机状态时，确实会命令CPU进入C3、或低电量状态。在安装处理器驱动程序之后，AMD提供了一条途径，让数据中心管理者不论在任何操作系统上，都能够充 分运用AMD PowerNow! ™技术，以掌握冷却系统、电源系统、以及其它接口设备管理程序的交互操作性。

　　微软Windows XP藉由电源管理指令来组织政策性与非政策性的组件群组，并透过ACPI与AMD 皓龙处理器连结，这些指令对于AMD PowerNow! ™技术非常有利;例如，适应性策略(adaptive policy，一种自动模式，P组态可依据工作负载动态调整)不管处理器是否为了应付运算需求，而调升至较高的组态，都会将处理器的效能降至{zd1}电压/频 率的组态，适应性政策并不会启动线性频率停止阻塞组态，以避免发生过热/高温的事件。

　　相反的，非策略性组态却是例外，在服务器应用程序的范围之内，会保存电源以应付紧急 状况或避免过热造成损害;如果温度超过设定的容许温度(这是一个在登入时储存的数值)操作系统会降低效能，使温度降至设定值以下，万一降低效能仍无法缓和 问题，操作系统核心会启动频率停止阻塞组态，以避免损害的发生。

　　Linux也有预设的操作系统功耗管理(Operating System Power Management, OSPM)冷却政策，并且安装了完整的ACPI支持，藉由表格驱动设定映射(map)至AMD PowerNow! ™ P组态，虽然OSPM可以选定过热温度的范围，不过大部分的设定都使用异步信号，以xx不必要的重复选择造成的负担。与Windows相同，OSPM也包 含了主动(为了效能)与被动(为了节省能源)冷却模式，并依据临界热预先设定关键性的允许温度，以保护系统，并在过热而可能故障时下令待机或关机。

　　Solaris提供脚本化的、命令列接口的控制语言，让数据中心管理者可独立于操作 系统之外全权控制ACPI和底层P组态，且在其它条件下亦适用，因而能够非常紧密地配合数据中心的需求，量身进行温度管理。

　　省多少，算得出(Measurable Savings)

　　标准测试模式未必适用于每个用户，但是要预测应用程序将要如何执行，以及执行应用程 序的负载对于AMD皓龙处理器与AMD PowerNow! ™的省电能力会造成何种影响，还是非常具有参考的价值，AMD已经以SPECweb和SPECcpu针对新的AMD双核心皓龙处理器进行了众多应用方案测 试，并测量出处理器和配线所节省的用电量。

图五

　　图5证明了AMD PowerNow! ™在负载下降时如何使CPU的用电量减到极小，以及优化功耗管理技术OPM如何使利益{zd0}化，OPM在CPU使用率80%时可节省7%，在CPU使用率 20%时更可节省高达73%。

　　虽然处理器的用电量只占了整体电费预算的一部份，可是其效益同样可以算得出来;在 CPU使用率介于60%～20%之间时，其节省的效益最为明显，而这也是许多服务器处理器在断断续续的高负载时段之外的使用率，将这一差距乘上数据中心里 所有的服务器，所节省的用电量将变成巨大xx。(请参阅图6)

　　AMD也了解另外两个能够额外省电的潜在机会:

　　1. 只需传输较低电流至电路板配线，而使得电源供应器更有效率。

　　2. 冷却系统可以更紧密的遵循系统原有的温度设定。

　　对于远程访问/Web服务器的应用而言，SPECweb建立了一套Web服务器工作 负载的标准测试模式，并计算受测系统可支持的登陆人数，因此具有高度的参考价值;在指定的工作负载下，分别计算AMD PowerNow! ™启动与关闭时CPU所节省的用电量，结果明确地证明，AMD PowerNow! ™技术的微细切割(granularity)即使在维持高工作负载的条件下，依然可以节省大量的电力。

　　即使是在高使用率测试方案中，以10,500人连结登陆、CPU使用率62%为例， 启动AMD PowerNow! ™可节省高达33%的CPU用电量(请参阅图7):若是5,000人连结上站、CPU使用率40%，启动AMD PowerNow! ™搭配OPM，CPU用电量则可节省高达62%;当受测系统处于待机状况时，AMD PowerNow! ™所降低的用电量更高达令人惊讶的75%。重要的是，别忘记在这类测试方案中，电费只占了成本的冰山一角，所有的用电及温度相关的营运成本也同时都降低 了。

　　电源管理的附加利益(Additional Power Management Benefits)

　　AMD PowerNow! ™技术开启了全新的开机时段，能够处理最不利的过热故障而无须关掉CPU。例如，当冷却设备发生故障时，ACPI调用(ACPI calls)能够降低所有CPU效能，使高热的扩散减到最小，并以调降效能的方式维持系统持续运作，直到问题解决为止。同样的，某一区域的附加式冷却器或 散热风扇故障时，可能会造成某一机架或刀片服务器过热，此时即可将此一刀片服务器或整个机架转换设定至较低的P组态，直到冷却功能恢复为止。

　　冷/热通道的规划设计，已经证明对于冷却系统的{zd0}利用非常有效率，如果以任意的方 式放置机架，或者热废气并非一律导向机架的后方，则数据中心管理者应该慎重考虑善用此技术;对于辅助风扇或小型冰箱提供冷却的高热运转设备的区域，冷/热 信道设备也非常有效率。以现代的机架或刀片服务器来进行改装，冷/热通道提供了众多优点:

　　1. 保护现有冷却与电力条件基础设施的投资。

　　2. 降低冷却耗电量。

　　3. 增加处理器的密度。

　　4. 降低每一刀片型服务器的耗电量。

　　在停电的状况中，具备OPM功能的AMD PowerNow! ™技术调降部分或所有处理器的速度与电压，关键性的作业仍可维持高速执行，其它则皆可予以调降，ACPI接口的UPS可{zd0}限度的维持电池寿命，或延长备 用柴油发电机的燃料消耗时间。然而，要全面整合冷却与电力管理系统，需要机架、电力、以及冷却三方面制造商全面参与，现在所有的软硬件接口也都已经定义而 可执行，设备管理软件的调整目前则是AMD 皓龙处理器独有的功能。

　　将未规划的加以规划，是数据中心管理者关键性的工作。无论如何，每一个IT经理人都 明了，在日复一日的工作中，高峰工作负载时段与待机时段都是可预期的，具备OPM功能的AMD PowerNow! ™技术则是低负载时段最理想的搭配，并且必须感谢AMD PowerNow! ™的微细颗粒(granularity)，使得{zd0}化的省电得以实现。