Groene IT: het OPERA-perspectief

Cloud computing maakt gebruik van moderne datacenters om rekenkracht en opslagruimte te bieden om zo aan moderne applicatie eisen te voldoen. De naadloze integratie van Cyber-Physical Systems (CPS) en Cloud-infrastructuren maakt het mogelijk om enorme hoeveelheden data, verzameld door slimme (embedded) systemen, effectief te verwerken en analyseren.

Van links naar rechts groeit de reken- en opslagcapaciteit

Met de toename van de hoeveelheid data en de verwerking ervan, komt echter ook het hoge energieverbruik om de hoek kijken en de energie-(in)efficiëntie van verwerkende technologieën in traditionele datacenter servers. Energiekosten vormen met 40-50% een groot aandeel in de kosten van datacenters. Naast het willen besparen op energiekosten, zijn er vele andere redenen om zuinig met energie om te willen gaan (zie ook Milieuwet en de EED). In de huidige situatie is de benutting van de aanwezige IT-capaciteit veelal gering, tussen de 10-50%. Dit terwijl deze onderbelaste servers (>50% ‘idle’) vaak nog 65% van de maximale piekvermogens verbruiken. Het ongebruikt laten van aanwezige capaciteit is daarmee een onnodig kostbare, energieverslindende zaak. Nieuwe IT-infra architecturen zijn daarom belangrijk en moeten leiden tot snellere respons, schaalbaarheid en energie-efficiëntie.

Virtualisatietechnieken bieden hiervoor goede oplossingen, omdat de fysieke server intensiever kan worden gebruikt. Die ruimte is er; eerder stelden we al dat servers slecht worden benut. Door meerdere (virtuele) servers te plaatsen op een fysieke machine wordt de benutting hiervan verhoogd. Door dynamisch verschillende Virtual Machines (VM’s) of containers met behulp van workload management over de beschikbare fysieke servers te verdelen, kan het gebruik van de fysieke omgeving worden geoptimaliseerd. Deze wijze van toebedelen vergt veel geheugencapaciteit en energie, hetgeen de totale hoeveelheid virtuele omgevingen op een fysieke server limiteert. Cloudtechnologie biedt de mogelijkheid tot het dynamisch aanspreken en loslaten van server en storage capaciteit, in de tijd. Omdat we hier dynamiek hebben in de allocatie van de VM’s en de capaciteitsverdeling in de tijd, is het voor te stellen dat dit mechanisme, door de complexiteit ervan, veel capaciteit van het systeem vraagt en daardoor veel energie. Huidige Cloudtechnieken werken met statistiek en hebben ingebakken regeltjes om capaciteit toe te wijzen op basis van piekgebruik, hetgeen in de praktijk weer leidt tot een matige benutting van de werkelijk aanwezige capaciteit.

Een efficiëntere capaciteitsallocatie, het benutten van de grote heterogeniteit, aanwezig in de architecturen van de moderne datacenters, en het gebruikmaken van minder geheugen hongerige virtualisatie systemen, zal bijdragen aan een verbetering binnen een dergelijk probleemgebied. Een dergelijke, verbeterde allocatiestrategie zou het benuttingspercentage van de aanwezige servercapaciteit verhogen.

Certios houdt zich al jaren bezig met onderzoek, bewustwording en het zoeken naar nieuwe mogelijkheden om IT-infrastructuur energie-efficiënter te maken. Certios is een partner in verschillende EU-projecten, onder meer het H2020 project OPERA. Ook nationaal is Certios actief in consortia, met verwante projecten als Zervers (afgerond) en GreenServe. Het OPERA-project probeert innovatieve oplossingen te vinden om de energie-efficiëntie van Cloud infrastructuren te verhogen. OPERA doet dit door het combineren en testen van modulaire, high-density, heterogene en (ultra) low power computing systemen.

De effectiviteit van de voorgestelde oplossingen voor de eerder aangegeven problematiek, wordt aangetoond door het testen van een aantal scenario's (use cases):

• Een verkeersbewaking toepassing
• De implementatie van een virtuele desktop
• De inzet van een compact datacenter op een vrachtwagen.

Uitvoering

Om deze capaciteit strategie vorm te geven onderzoekt OPERA de mogelijkheden om high-performance en low power hardware met een modulaire en schaalbare architectuur te combineren. Het is bekend dat heterogeniteit de sleutel is voor het bereiken van nieuwe niveaus van energie-efficiëntie en rekencapaciteit. Oplossingen maken gebruik van her-configureerbare hardware devices (FPGA’s, oftewel field programmable gate arrays) en andere slimme hardware teneinde de benodigde performance te behalen met zo min mogelijk verbruik van energie.

OPERA verwacht een sterk gereduceerd energieverbruik, zowel in de volgende generaties Cloud infrastructuur als in de aangesloten systemen (CPS), te kunnen realiseren door verbeteringen op het gebied van het geheugengebruik door (gevirtualiseerde) Cloudapplicaties, door de inzet van heterogene rekenelementen en het verbeteren van de allocatie van werklast op deze heterogene rekencapaciteit.

De volgende doelstellingen moeten in het OPERA project worden bereikt:

• De heterogeniteit benutten door gebruik te maken verschillende multi-core processor architecturen (vb,: ARM, X86-64, en POWER), tezamen met de speciale accelerators gebaseerd op de FPGA’s;
• Automatisch splitsen van jobs, in onafhankelijke sets, software modules, die kunnen worden verwerkt als ‘micro services’ op aangewezen doel hardware, om de energie-efficiëntie van de Cloud infrastructuur te maximaliseren;
• Gebruik maken van direct optical links en CAPI (Coherent Accelerator Processor Interface), om de schaalbaarheid te verbeteren en de maximale prestatie uit de Cloud infrastructuur te garanderen;
• Het ontwerpen van een optimale server enclosure, onder de naam ‘datacenter in a box’, welke 10 tot ±100 processor cores (zelfs met onderling verschillende architecturen) op een compacte wijze kan huizen;
• Het definiëren en integreren van de relevante meetvariabelen om op holistische wijze de prestaties van de Cloud infrastructuur te monitoren;
• Benutten van ultra-low power, multi/many core processoren, om de data verwerkingsmogelijkheden van CPS te verbeteren;
• Benutten van een flexibel en her-configureerbare radiocommunicatie subsysteem om de efficiëntie van het CPS te verbeteren;
• Het introduceren van offloading diensten (mogelijk versneld door FPGA boards) om het voor CPS mogelijk te maken om toegang tot grotere rekenkracht en capaciteit te krijgen voor kritieke taken.

Het OPERA project duurt 3 jaar, en wordt gecoördineerd door STMicroelectronics, het Instituto Superiore Mario Boella (ISMB) heeft de technische verantwoordelijkheid. Het consortium bestaat verder uit partners uit de Europese industrie, overheid en universitaire sectoren (HPE, Nallatech, Teseo-Clemency, Certios, CSI Piemonte, Le Départment de Isère, Neavia technologies en Technion Universiteit).

Voor meer informatie over het OPERA-project kunt u zich altijd wenden tot onze deelnemende consultants: Dirk Harryvan (dirk.harryvan@certios.nl) of Frank Verhagen (frank.verhagen@certios.nl).

Frank Verhagen en Dirk Harryvan, Certios