A reference model for integrated energy and power management of HPC systems

Optimizing a computer for highest performance dictates the efficient use of its limited resources. Computers as a whole are rather complex. Therefore, it is not sufficient to consider optimizing hardware and software components independently. Instead, a holistic view to manage the interactions of all components is essential to achieve system-wide efficiency. For High Performance Computing (HPC) systems, today, the major limiting resources are energy and power. The hardware mechanisms to measure and control energy and power are exposed to software. The software systems using these mechanisms range from firmware, operating system, system software to tools and applications. Efforts to improve energy and power efficiency of HPC systems and the infrastructure of HPC centers achieve perpetual advances. In isolation, these efforts are unable to cope with the rising energy and power demands of large scale systems. A systematic way to integrate multiple optimization strategies, which build on complementary, interacting hardware and software systems is missing. This work provides a reference model for integrated energy and power management of HPC systems: the Open Integrated Energy and Power (OIEP) reference model. The goal is to enable the implementation, setup, and maintenance of modular system-wide energy and power management solutions. The proposed model goes beyond current practices, which focus on individual HPC centers or implementations, in that it allows to universally describe any hierarchical energy and power management systems with a multitude of requirements. The model builds solid foundations to be understandable and verifiable, to guarantee stable interaction of hardware and software components, for a known and trusted chain of command. This work identifies the main building blocks of the OIEP reference model, describes their abstract setup, and shows concrete instances thereof. A principal aspect is how the individual components are connected, interface in a hierarchical manner and thus can optimize for the global policy, pursued as a computing center's operating strategy. In addition to the reference model itself, a method for applying the reference model is presented. This method is used to show the practicality of the reference model and its application. For future research in energy and power management of HPC systems, the OIEP reference model forms a cornerstone to realize --- plan, develop and integrate --- innovative energy and power management solutions. For HPC systems themselves, it supports to transparently manage current systems with their inherent complexity, it allows to integrate novel solutions into existing setups, and it enables to design new systems from scratch. In fact, the OIEP reference model represents a basis for holistic efficient optimization.Computer auf höchstmögliche Rechenleistung zu optimieren bedingt Effizienzmaximierung aller limitierenden Ressourcen. Computer sind komplexe Systeme. Deshalb ist es nicht ausreichend, Hardware und Software isoliert zu betrachten. Stattdessen ist eine Gesamtsicht des Systems notwendig, um die Interaktionen aller Einzelkomponenten zu organisieren und systemweite Optimierungen zu ermöglichen. Für Höchstleistungsrechner (HLR) ist die limitierende Ressource heute ihre Leistungsaufnahme und der resultierende Gesamtenergieverbrauch. In aktuellen HLR-Systemen sind Energie- und Leistungsaufnahme programmatisch auslesbar als auch direkt und indirekt steuerbar. Diese Mechanismen werden in diversen Softwarekomponenten von Firmware, Betriebssystem, Systemsoftware bis hin zu Werkzeugen und Anwendungen genutzt und stetig weiterentwickelt. Durch die Komplexität der interagierenden Systeme ist eine systematische Optimierung des Gesamtsystems nur schwer durchführbar, als auch nachvollziehbar. Ein methodisches Vorgehen zur Integration verschiedener Optimierungsansätze, die auf komplementäre, interagierende Hardware- und Softwaresysteme aufbauen, fehlt. Diese Arbeit beschreibt ein Referenzmodell für integriertes Energie- und Leistungsmanagement von HLR-Systemen, das „Open Integrated Energy and Power (OIEP)“ Referenzmodell. Das Ziel ist ein Referenzmodell, dass die Entwicklung von modularen, systemweiten energie- und leistungsoptimierenden Sofware-Verbunden ermöglicht und diese als allgemeines hierarchisches Managementsystem beschreibt. Dies hebt das Modell von bisherigen Ansätzen ab, welche sich auf Einzellösungen, spezifischen Software oder die Bedürfnisse einzelner Rechenzentren beschränken. Dazu beschreibt es Grundlagen für ein planbares und verifizierbares Gesamtsystem und erlaubt nachvollziehbares und sicheres Delegieren von Energie- und Leistungsmanagement an Untersysteme unter Aufrechterhaltung der Befehlskette. Die Arbeit liefert die Grundlagen des Referenzmodells. Hierbei werden die Einzelkomponenten der Software-Verbunde identifiziert, deren abstrakter Aufbau sowie konkrete Instanziierungen gezeigt. Spezielles Augenmerk liegt auf dem hierarchischen Aufbau und der resultierenden Interaktionen der Komponenten. Die allgemeine Beschreibung des Referenzmodells erlaubt den Entwurf von Systemarchitekturen, welche letztendlich die Effizienzmaximierung der Ressource Energie mit den gegebenen Mechanismen ganzheitlich umsetzen können. Hierfür wird ein Verfahren zur methodischen Anwendung des Referenzmodells beschrieben, welches die Modellierung beliebiger Energie- und Leistungsverwaltungssystemen ermöglicht. Für Forschung im Bereich des Energie- und Leistungsmanagement für HLR bildet das OIEP Referenzmodell Eckstein, um Planung, Entwicklung und Integration von innovativen Lösungen umzusetzen. Für die HLR-Systeme selbst unterstützt es nachvollziehbare Verwaltung der komplexen Systeme und bietet die Möglichkeit, neue Beschaffungen und Entwicklungen erfolgreich zu integrieren. Das OIEP Referenzmodell bietet somit ein Fundament für gesamtheitliche effiziente Systemoptimierung

Interference of billing and scheduling strategies for energy and cost savings in modern data centers

The high energy consumption of HPC systems is an obstacle for evergrowing systems. Unfortunately, energy consumption does not decrease linearly with reduced workload; therefore, energy conservation techniques have been deployed on various levels which steer the overall system. While the overall saving of energy is useful, the price of energy is not necessarily proportional to the consumption. Particularly with renewable energies, there are occasions in which the price is significantly lower. The potential of saving energy costs when using smart contracts with energy providers is lacking research. In this paper, we conduct an analysis of the potential savings when applying cost-aware schedulers to data center workloads while considering power contracts that allow for dynamic (hourly) pricing. The contributions of this paper are twofold: 1) the theoretic assessment of cost savings; 2) the development of a simulator to replay batch scheduler traces which supports flexible energy cost models and various cost-aware scheduling algorithms. This allows to approximate the energy costs savings of data centers for various scenarios including off-peak and hourly budgeted energy prices as provided by the energy spot market. An evaluation is conducted with four annual job traces from the German Climate Computing Center (DKRZ) and Leibniz Supercomputing Centre (LRZ)

Power efficient job scheduling by predicting the impact of processor manufacturing variability

Modern CPUs suffer from performance and power consumption variability due to the manufacturing process. As a result, systems that do not consider such variability caused by manufacturing issues lead to performance degradations and wasted power. In order to avoid such negative impact, users and system administrators must actively counteract any manufacturing variability. In this work we show that parallel systems benefit from taking into account the consequences of manufacturing variability when making scheduling decisions at the job scheduler level. We also show that it is possible to predict the impact of this variability on specific applications by using variability-aware power prediction models. Based on these power models, we propose two job scheduling policies that consider the effects of manufacturing variability for each application and that ensure that power consumption stays under a system-wide power budget. We evaluate our policies under different power budgets and traffic scenarios, consisting of both single- and multi-node parallel applications, utilizing up to 4096 cores in total. We demonstrate that they decrease job turnaround time, compared to contemporary scheduling policies used on production clusters, up to 31% while saving up to 5.5% energy.Postprint (author's final draft

A Process Model for the Integrated Reasoning about Quantitative IT Infrastructure Attributes

IT infrastructures can be quantitatively described by attributes, like performance or energy efficiency. Ever-changing user demands and economic attempts require varying short-term and long-term decisions regarding the alignment of an IT infrastructure and particularly its attributes to this dynamic surrounding. Potentially conflicting attribute goals and the central role of IT infrastructures presuppose decision making based upon reasoning, the process of forming inferences from facts or premises. The focus on specific IT infrastructure parts or a fixed (small) attribute set disqualify existing reasoning approaches for this intent, as they neither cover the (complex) interplay of all IT infrastructure components simultaneously, nor do they address inter- and intra-attribute correlations sufficiently. This thesis presents a process model for the integrated reasoning about quantitative IT infrastructure attributes. The process model’s main idea is to formalize the compilation of an individual reasoning function, a mathematical mapping of parametric influencing factors and modifications on an attribute vector. Compilation bases upon model integration to benefit from the multitude of existing specialized, elaborated, and well-established attribute models. The achieved reasoning function consumes an individual tuple of IT infrastructure components, attributes, and external influencing factors to expose a broad applicability. The process model formalizes a reasoning intent in three phases. First, reasoning goals and parameters are collected in a reasoning suite, and formalized in a reasoning function skeleton. Second, the skeleton is iteratively refined, guided by the reasoning suite. Third, the achieved reasoning function is employed for What-if analyses, optimization, or descriptive statistics to conduct the concrete reasoning. The process model provides five template classes that collectively formalize all phases in order to foster reproducibility and to reduce error-proneness. Process model validation is threefold. A controlled experiment reasons about a Raspberry Pi cluster’s performance and energy efficiency to illustrate feasibility. Besides, a requirements analysis on a world-class supercomputer and on the European-wide execution of hydro meteorology simulations as well as a related work examination disclose the process model’s level of innovation. Potential future work employs prepared automation capabilities, integrates human factors, and uses reasoning results for the automatic generation of modification recommendations.IT-Infrastrukturen können mit Attributen, wie Leistung und Energieeffizienz, quantitativ beschrieben werden. Nutzungsbedarfsänderungen und ökonomische Bestrebungen erfordern Kurz- und Langfristentscheidungen zur Anpassung einer IT-Infrastruktur und insbesondere ihre Attribute an dieses dynamische Umfeld. Potentielle Attribut-Zielkonflikte sowie die zentrale Rolle von IT-Infrastrukturen erfordern eine Entscheidungsfindung mittels Reasoning, einem Prozess, der Rückschlüsse (rein) aus Fakten und Prämissen zieht. Die Fokussierung auf spezifische Teile einer IT-Infrastruktur sowie die Beschränkung auf (sehr) wenige Attribute disqualifizieren bestehende Reasoning-Ansätze für dieses Vorhaben, da sie weder das komplexe Zusammenspiel von IT-Infrastruktur-Komponenten, noch Abhängigkeiten zwischen und innerhalb einzelner Attribute ausreichend berücksichtigen können. Diese Arbeit präsentiert ein Prozessmodell für das integrierte Reasoning über quantitative IT-Infrastruktur-Attribute. Die grundlegende Idee des Prozessmodells ist die Herleitung einer individuellen Reasoning-Funktion, einer mathematischen Abbildung von Einfluss- und Modifikationsparametern auf einen Attributvektor. Die Herleitung basiert auf der Integration bestehender (Attribut-)Modelle, um von deren Spezialisierung, Reife und Verbreitung profitieren zu können. Die erzielte Reasoning-Funktion verarbeitet ein individuelles Tupel aus IT-Infrastruktur-Komponenten, Attributen und externen Einflussfaktoren, um eine breite Anwendbarkeit zu gewährleisten. Das Prozessmodell formalisiert ein Reasoning-Vorhaben in drei Phasen. Zunächst werden die Reasoning-Ziele und -Parameter in einer Reasoning-Suite gesammelt und in einem Reasoning-Funktions-Gerüst formalisiert. Anschließend wird das Gerüst entsprechend den Vorgaben der Reasoning-Suite iterativ verfeinert. Abschließend wird die hergeleitete Reasoning-Funktion verwendet, um mittels “What-if”–Analysen, Optimierungsverfahren oder deskriptiver Statistik das Reasoning durchzuführen. Das Prozessmodell enthält fünf Template-Klassen, die den Prozess formalisieren, um Reproduzierbarkeit zu gewährleisten und Fehleranfälligkeit zu reduzieren. Das Prozessmodell wird auf drei Arten validiert. Ein kontrolliertes Experiment zeigt die Durchführbarkeit des Prozessmodells anhand des Reasonings zur Leistung und Energieeffizienz eines Raspberry Pi Clusters. Eine Anforderungsanalyse an einem Superrechner und an der europaweiten Ausführung von Hydro-Meteorologie-Modellen erläutert gemeinsam mit der Betrachtung verwandter Arbeiten den Innovationsgrad des Prozessmodells. Potentielle Erweiterungen nutzen die vorbereiteten Automatisierungsansätze, integrieren menschliche Faktoren, und generieren Modifikationsempfehlungen basierend auf Reasoning-Ergebnissen

Patterns for High Performance Multiscale Computing

We describe our Multiscale Computing Patterns software for High Performance Multiscale Computing. Following a short review of Multiscale Computing Patterns, this paper introduces the Multiscale Computing Patterns Software, which consists of description, optimisation and execution components. First, the description component translates the task graph, representing a multiscale simulation, to a particular type of multiscale computing pattern. Second, the optimisation component selects and applies algorithms to find the most suitable mapping between submodels and available HPC resources. Third, the execution component which a middleware layer maps submodels to the number and type of physical resources based on the suggestions emanating from the optimisation part together with infrastructure-specific metrics such as queueing time and resource availability. The main purpose of the Multiscale Computing Patterns software is to leverage the Multiscale Computing Patterns to simplify and automate the execution of complex multiscale simulations on high performance computers, and to provide both application-specific and pattern-specific performance optimisation. We test the performance and the resource usage for three multiscale models, which are expressed in terms of two Multiscale Computing Patterns. In doing so, we demonstrate how the software automates resource selection and load balancing, and delivers performance benefits from both the end-user and the HPC system level perspectives