ETAT DE L’ART SUR LA CONSOMMATION EN ENERGIE D’UN CALCULATEUR

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Consommation énergétique globale

En général, un HPC est un système informatique qui traite des données volumineuses. Il est formé des composants électroniques et/ou des circuits intégrés. Ces composants sont ses principaux consommateurs d’énergie. Dans la suite, on entend par équipements informatiques, ses composants qui sont utilisés pour faire le calcul ou le traitement des données. Alors il est nécessaire d’étudier la consommation en énergie de ses composants.
En plus, ces composants électroniques et/ou circuits intégrés ne peuvent pas fonctionner correctement si la température de l’environnement de son travail n’est pas adéquate à ses caractéristiques. Pour maintenir cette température, il faut mettre des systèmes qui permettent d’accomplir cette tâche. Et vu que ses systèmes sont aussi fabriqués avec des composants électroniques alors ils consomment aussi de l’énergie.
De ce fait, lorsqu’on étudie le HPC et surtout sa consommation en énergie, il ne faut pas oublier d’étudier le support du système HPC dont le plus important est le système de refroidissement car un HPC est une machine informatique qui dégage de la chaleur. Il y a alors deux types de consommation en énergie dans l’étude d’un HPC : l’énergie consommée par les équipements informatiques tels que le serveur, le stockage (disque dur) et les équipements réseaux (cartes réseaux), et par les supports du système.
On note EHPC l’énergie totale consommée par un HPC, EIT l’énergie consommée par les équipements informatiques et Esupport l’énergie consommée par les supports dont les systèmes de refroidissement. Alors, l’énergie totale consommée par un HPC est la somme de l’énergie consommée par les systèmes informatiques et l’énergie consommée par les supports. D’où, l’égalité suivante pour l’énergie EHPC : =+ (2.01)
Pour connaitre alors cette énergie totale, on va étudier dans la suite de ce chapitre les deux types d’énergie consommée précédemment.

Energie consommée par les équipements informatiques

Pour les équipements informatiques, la consommation énergétique est mesurée lorsque le HPC est actif c’est-à-dire qu’il y a une ou des applications qui y tournent. Il ne faut pas perdre de vue que, le fait que c’est un ordinateur spécialement conçu pour faire des calculs complexes.
Les ingrédients qui composent un HPC sont les mêmes que ceux d’un ordinateur « classique », mais avec des configurations spécifiques. Parmi ces composants, on peut citer : les processeurs, les mémoires/stockages, les réseaux et les logiciels ou applications.
(i) Les processeurs : ils fournissent la puissance de calcul. Actuellement, on peut avoir des CPU multi-cœurs, éventuellement des processeurs graphiques GPU, ou des processeurs plus spécialisés.
(ii) Les mémoires/stockages : actuellement, ces mémoires sont très hiérarchisées et il y a différentes types de mémoires et de stockage (caches, DRAM, SSD, HD, bandes).
(iii) Les réseaux : les réseaux sont utilisés pour reliés les nœuds entre eux. Il y a aussi plusieurs types qu’on peut utiliser (MPI, Administration, I/O)
(iv) logiciels ou applications : des middlewares pour l’accès aux ressources distribuées MPI, gestion des processus, …
L’équilibre entre les différents composants est primordial et nécessite déjà une étude particulière en vue d’atteindre l’objectif de l’exascale et d’avoir une consommation en énergie optimisée. La figure 2.01 suivante montre ces composants dans un système informatique.
L’énergie consommée par le système informatique d’un HPC est EIT, et peut être exprimée en tant que somme de l’énergie consommée par les sous-systèmes constitutifs d’un HPC. En règle générale, il existe cinq sources de consommation d’énergie dans un système de serveur [2.01] :
– Eproc : énergie consommée par les processeurs lors du calcul,
– Emem : énergie consommée par les mémoires,
– Ehdd : énergie consommée par le ou les lecteurs de disque dur,
– Eboard : énergie consommée par les périphériques à l’appui des opérations, y compris tous les appareils dans plusieurs domaines de tension (comme les puces de jeu de puces, les régulateurs de tension, les puces de contrôle de bus, les connecteurs, les périphériques d’interface, etc.),
– Eem : énergie consommée par tous les composants électriques et électromécaniques du serveur, y compris les ventilateurs et autres composants de support.
L’énergie totale consommée par le HPC avec une charge de travail informatique donnée peut être exprimée comme suit: EIT = Eproc + Emem + Ehdd + Eboard + Eem (2.02)
Chacun des termes ci-dessus est exprimé à son tour en suivant un principe de conservation de l’énergie.

Energie consommée par les processeurs Eproc

Les processeurs sont les principaux composants qui effectuent le calcul dans un HPC. Ce sont donc les éléments qui consomment le plus d’énergie parmi les systèmes informatiques. Le nombre des processeurs à mettre dans un HPC dépend de la puissance qu’on veut avoir. Alors l’énergie consommée par les processeurs est proportionnel au nombre de processeur qui caractérise le HPC.
Dans la suite, la consommation en énergie d’un processeur sera abordée. La consommation d’un processeur est mesurée lorsqu’il est actif. Des études ont montré que le processeur pouvait à lui seul utiliser plus de 50 % de l’énergie lorsqu’il était sollicité intensivement. La puissance totale dissipée du processeur à l’instant t, Pproc (t), est liée aux lectures de température du processeur et à la quantité estimée de données en cours de traitement à ce moment. Nous avons la consommation d’énergie du processeur entre les instants t1 et t2 comme suit: = ∫ ( ) (2.03)
On sait que les processeurs sont fabriqués avec des transistors, reliés pour former des circuits plus ou moins compliqués. Il faut préciser que les transistors utilisés dans les ordinateurs sont des FET (Field Effect Transistor) à technologie CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). Donc, la consommation énergétique d’un processeur repose sur l’étude de la consommation électrique des transistors CMOS.

Etude de la consommation énergétique d’un CMOS

Définition d’un MOSFET

Un CMOS est un transistor dans la famille de MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Un MOSFET est un composant relié au reste du circuit électronique externe par trois broches. Les broches seront polarisées et la valeur de cette tension représentera soit « 0 » soit « 1 » en fonction du FET utilisé. La figure 2.02 représente le schéma d’un MOSFET à canal n (NMOSFET).
Figure 2.02 : Schéma d’un MOSFET à canal n.

Structure et fonctionnement d’un CMOS

La technologie CMOS est une technologie de fabrication de composants électroniques et, par extension, l’ensemble des composants fabriqués selon cette technologie.
Les circuits CMOS sont réalisés à partir de transistors MOSFET. Dans ces circuits, un étage de sortie est composé d’un couple de transistors NMOS et PMOS (MOSFETs N et P) placés de manière symétrique et réalisant chacun la même fonction (Fig. 2.03). Les MOSFETs utilisés dans un CMOS sont différents par la tension qu’il faut mettre sur la gate pour les ouvrir/fermer (mais ils sont complémentaires, d’où l’appellation complementary) :
les transistors NMOS qui sont à l’état OFF lorsqu’on place une tension égale à « 0 » sur la gate et se ferment si la tension placée sur cette même gate représente un « 1 » ; et les PMOS c’est l’inverse : ils sont à l’état ON lorsque la tension sur la gate est nulle, et s’ouvrent si celle-ci représente un « 1 ».
Dans les processeurs, on utilise le MOSFET comme un interrupteur qui réagit en fonction de sa gate : suivant la valeur de la tension qui est appliquée sur la gate, le transistor sera à l’état ON ou à l’état OFF. A l’état OFF, le courant du drain est interrompu. En clair, si on applique une tension adéquate, la liaison entre la source et le drain se comporte comme un interrupteur fermé et conduira le courant : le transistor sera alors dit à l’état ON (passant). Par contre, si une tension appropriée est appliquée à la gate, cette liaison se comporte comme un interrupteur ouvert et le courant ne passera pas : le transistor sera dit à l’état OFF (bloqué).

Consommation statique d’un CMOS

La gate et le semi-conducteur d’un transistor sont censés être séparées par un isolant et donc aucun courant ne devrait le traverser. Du moins, c’est la théorie. Mais la réalité est tout autre : l’isolant est loin de jouer son rôle d’isolant suffisamment bien dans les processeurs actuels. À force de vouloir miniaturiser au maximum, pour intégrer de nombreux transistors sur le même processeur, la couche d’isolant ne fait guère plus de quelques dizaines atomes d’épaisseurs. La couche d’isolant est loin d’être étanche et que de nombreux électrons quittent la gate pour rejoindre la zone de semi-conducteur, dissipant une partie de l’énergie emmagasinée dans la gate. Il faut alors remplacer ces électrons perdus et de fournir l’énergie pour remplir à nouveau la gate.
Ces fuites d’électrons à travers l’isolant s’appellent des courants de fuite. Ces pertes par courants de fuite ont lieu en permanence dès que la gate est chargée, que le transistor change d’état ou non. Ces courants de fuite constituent la consommation statique d’un CMOS.

Consommation dynamique d’un CMOS

La consommation énergétique du processeur est basée sur des évaluations réalisées pour différentes architectures CMOS. Les premières évaluations sur la consommation d’énergie par différents circuits CMOS, à partir de la cellule de base et jusqu’au DSP, ainsi que des propositions technologiques pour minimiser cette consommation ont été étudiées.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 ETAT DE L’ART SUR LES HPC
1.1 Introduction
1.2 Définitions
1.2.1 HPC ou High Performance Computing
1.2.2 Calcul intensif
1.3 Evolutions
1.3.1 Evolution technologique
1.3.2 Evolution du HPC
1.3.3 Evolution des applications
1.4 Exascale
1.5 Architecture globale de système HPC
1.5.1 Architecture en pipeline
1.5.2 Composants électroniques
1.6 Classements des HPC suivant leurs performances
1.6.1 La liste Top500
1.6.2 La liste Green500
1.6.3 Réalisation de test de performance d’un HPC
1.7 Domaines d’utilisation
1.7.1 Domaines d’utilisation
1.7.2 Exemples de configuration d’un HPC et son utilisation
1.7.3 Data Center ou centre de données
1.7.4 NEST (Neural Simulation Technology)
1.7.5 Cloud Computing
1.8 Principaux problèmes
1.9 Résumé du chapitre
CHAPITRE 2 ETAT DE L’ART SUR LA CONSOMMATION EN ENERGIE D’UN CALCULATEUR
2.1 Introduction
2.2 Consommation énergétique globale
2.3 Energie consommée par les équipements informatiques
2.3.1 Energie consommée par les processeurs Eproc
2.3.2 Energie consommée par les mémoires
2.3.3 Energie consommée par les stockages
2.3.4 Consommation d’énergie des supports internes d’un HPC
2.3.5 Consommation d’énergie électromagnétique .
2.4 Energie consommée par les supports
2.5 Stratégies de réduction de la consommation énergétique
2.5.1 Réduction de la consommation énergétique des équipements informatiques
2.5.2 Réduction de la consommation énergétique des supports
2.6 Indicateurs de performance
2.6.1 Indicateur de performance PUE
2.6.2 Indicateur de performance WUE
2.6.3 Indicateur de performance DCEM
2.6.4 TCO (Total Cost Ownership)
2.7 Résumé du chapitre
CHAPITRE 3 CALCUL DE LA DISSIPATION THERMIQUE POUR LES HPC
3.1 Introduction
3.2 Analyse des processeurs existants
3.2.1 Processeurs dans la liste de Top500
3.2.2 Chaleur dégagée par les processeurs
3.2.3 Différents types de processeurs
3.2.4 Choix des processeurs
3.3 Relation entre système de refroidissement et consommation en énergie d’un HPC
3.4 Généralités de système de refroidissement des HPC
3.4.1 Principaux éléments producteurs de chaleur
3.4.2 Rôles du refroidissement
3.4.3 Systèmes de refroidissement existants pour les HPC
3.5 Dissipation thermique ou TDP (Thermal Design Power)
3.5.1 Résistance thermique
3.5.2 TDP
3.5.3 Relation entre Résistance thermique et TDP
3.5.4 Quelques exemples valeurs de TDP maximale pour les processeurs
3.5.5 Radiateur ou dissipateur thermique
3.6 Calcul de la TDP de processeurs
3.6.1 Intel Xeon E5-2680
3.6.2 IBM Power9
3.7 Calcul de TDP pour les HPC
3.7.1 HPC Curie en France
3.7.2 Serveur MiHawk aux USA
3.8 Dimensionnement de systèmes de refroidissement
3.8.1 Proposition pour le HPC Curie
3.8.2 Proposition pour le MiHawk
3.9 Résumé du chapitre
CHAPITRE 4 ORDONNANCEMENT DES TACHES POUR OPTIMISER LA CONSOMMATION EN ENERGIE
4.1 Introduction
4.2 Définitions
4.2.1 Tâches ou processus
4.2.2 Systèmes temps réel
4.2.3 Ordonnancement
4.3 Critères d’ordonnancement
4.3.1 Exigences de la plateforme
4.3.2 Sorties voulues
4.4 Ordonnancement d’une application HPC et description du problème
4.5 Ordonnancement des tâches temps réel
4.5.1 Modes d’ordonnancement
4.5.2 Les principaux algorithmes d’ordonnancement temps réel
4.6 Analyse d’ordonnancabilité et allocation optimale
4.6.1 Algorithme de Marouf
4.6.2 Algorithme de Ndoye
4.6.3 Algorithme d’ordonnancement optimal
4.6.4 Heuristique d’ordonnancement multiprocesseur
4.6.5 Heuristique d’allocation
4.7 Ordonnancement temps réel multiprocesseur sous contraintes de temps et d’énergie
4.7.1 Travaux connexes
4.7.2 Problématique
4.7.3 Méthodes de détermination du temps d’exécution et d’énergie optimisés pour une tâche
4.7.4 Algorithme d’ordonnancement pour optimiser le temps d’exécution et l’énergie consommée
4.8 Résumé du chapitre
CHAPITRE 5 ORDONNANCEMENT POUR OPTIMISER LA VITESSE D’EXECUTION DES TACHES
5.1 Introduction
5.2 Hypothèses
5.2.1 Caractéristiques techniques
5.2.2 Types d’ordonnancements choisis
5.3 Position du problème et Objectifs
5.3.1 Position du problème
5.3.2 Objectifs
5.4 Résolution du problème
5.4.1 Valeur vmin
5.4.2 Valeur vmax
5.4.3 Résumé des valeurs obtenues et interprétation
5.4.4 Algorithme d’ordonnancement
5.5 Contributions de la thèse
5.6 Discussion
5.7 Résumé du chapitre
CONCLUSION ET PERSPECTIVES
ANNEXES
A1. Multiprocessor real time scheduling based on time-constraint and energyconstraint
A2. Cooling system modeling for HPC
REFERENCES

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