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Research

데이터 센터의 에너지 소모량을 대폭 감소시키면서도 서비스의 성능을 보장하는 고효율 프로세서 기술 개발

  • 조회. 469
  • 등록일. 2022.01.20
  • 작성자. 대외협력팀

DGIST 김대훈 교수팀, 리눅스 네트워크 패킷 처리 인터페이스 기반 프로세서 전력 관리 기법 NMAP 개발

한 해 수십조 원 규모로 발생하는 데이터센터의 에너지 소모에 따른 유지비용 대폭 절감 기대돼

 

[(왼쪽부터)정보통신융합전공 강기동 박사과정생, 김대훈 교수]

 

 DGIST 정보통신융합전공 김대훈 교수팀은 지연시간이 중요한 서비스의 성능을 보장하면서 에너지 소모량을 줄일 수 있는 고효율의 프로세서 전력 관리 기법을 개발했다고 19() 밝혔다. 한 해 수십조 원 규모에 달하는 에너지 소모에 따른 데이터센터 유지비용을 크게 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

 데이터센터는 컴퓨터 시스템과 통신장비, 저장장치 등이 설치되어있으며 빅데이터를 저장하고 유통시키는 핵심 시설이다. 오늘날 기술의 발전으로 컴퓨팅 요구사항이 증가함에 따라 데이터센터의 수는 빠르게 증가하고 있으며 이와 관련한 연구도 활발히 진행되고 있다. 데이터센터는 지연시간에 민감한 서비스들을 구동하기 때문에 서비스의 성능을 저하시키지 않으면서 에너지 소모량을 줄이는 것이 중요하다. 특히, 프로세서는 데이터센터 서버에서 높은 에너지 소모량을 가진 하드웨어이기 때문에 프로세서의 전력 관리 기법은 에너지 소모량 절감에 핵심적인 역할을 한다.

 DVFS(Dynamic Voltage and Frequency Scaling)는 대표적인 프로세서의 전력 관리 기법으로, 프로세서에 공급되는 전압과 주파수를 동적으로 변경하여 성능과 전력 소모를 함께 조절하는 기술이다. 데이터센터에서 일반적으로 사용하는 리눅스 운영체제는 프로세서의 DVFS 기술을 활용하기 위한 정책을 제공하고 있지만, 지연시간에 민감한 서비스의 성능을 보장하기는 어렵다. 이를 해결하기 위해 많은 기존 연구들이 지연시간에 민감한 서비스를 위한 DVFS 기법을 제안하였지만, 이들은 단시간에 너무 많은 전압 및 주파수 변경을 시도하기 때문에, 실제 데이터센터 서버들에 적용하기는 어렵다는 한계가 있다.

 이에 김대훈 교수팀은 현재 데이터센터 서버용 프로세서에 적용 가능한 전력 관리 기법을 개발하기 위해 리눅스의 네트워크 패킷 처리 인터페이스인 NAPI(New API)를 활용하였다. NAPI는 패킷 처리를 관찰함으로 네트워크 부하를 빠르게 예측 할 수 있는 인터페이스다. 김 교수팀은 NAPI 내부의 폴링 및 인터럽트 모드에서 처리된 패킷의 비율을 활용하여 전압 및 주파수를 조절하도록 ‘NMAP’이라는 소프트웨어 기술을 새로이 설계했다.

 ‘NMAP’는 하드웨어 또는 응용 프로그램의 수정/추가가 필요 없고, 현재 서버 환경에 바로 적용 가능한 소프트웨어 기술이다. 또한, 폴링 모드에서 처리된 패킷의 비율이 증가하면 전압 및 주파수를 빠르게 증가시키고, 인터럽트 모드에서 처리된 패킷의 비율이 증가하면 프로세서 사용률에 기반한 전압 및 주파수 상태를 반영함으로써 지연시간이 중요한 서비스의 성능을 보장하면서 과도한 전압 및 주파수 변경을 피했다.

 또한, 김대훈 교수팀은 다양한 프로세서 환경에서 전압 및 주파수 변경에 필요한 실질적인 시간을 측정 및 비교함으로써 상용 프로세서 환경에서 기존 프로세서 전력 관리 연구들이 동작하기 어렵다는 것을 실험적으로 증명했다.

 DGIST 정보통신융합전공 김대훈 교수는 이번 연구는 하드웨어 수정/추가 또는 응용 프로그램의 수정 없이 실제 데이터센터의 에너지 소모량을 크게 줄일 수 있는 가능성을 보여준 연구라며 향후 데이터센터 환경에 실제 적용 가능한 전력 관리 기술을 개발하기 위해 연구에 매진하겠다고 말했다.

 한편, 이번 연구는 DGIST 정보통신융합전공 김대훈 교수가 교신 저자, 강기동 박사과정생이 제 1저자, 박경서, 김효상 박사과정생이 공동 저자로 참여했으며, 캔자스대학(University of Kansas ) Mohammad Alian 교수, 일리노이대학(University of Illinois at Urbana-Champaign) 김남승 교수와의 공동연구로 수행됐다. 연구결과는 컴퓨터 아키텍처 분야의 최우수 국제 학술 대회인 ‘IEEE/ACM International Symposium on Microarchitecture(MICRO)’에 지난 20211017() 온라인 게재됐다.

 

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연구결과개요

NMAP: Power Management Based on Network Packet Processing Mode Transition for Latency-Critical Workloads

(Ki-Dong Kang, Gyeongseo Park, Hyosang Kim, Mohammad Alian, Nam Sung Kim, and Daehoon Kim)

(IEEE/ACM International Symposium on Microarchitecture, on-line published on Oct., 17th, 2021)

 

오늘 날 데이터센터의 에너지 소모량에 따른 유지비용은 한 해 수 십 조원에 달하므로, 이를 줄이기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 프로세서는 데이터센터 서버의 구성요소들 중 에너지 소모량이 높은 하드웨어이기 때문에, 프로세서의 전력 관리 기법은 데이터센터 유지비용을 줄이는데 핵심적인 역할을 한다. 대표적인 프로세서의 전력 관리 기법은, 동적으로 프로세서에 공급되는 전압과 주파수를 변경하여 프로세서의 성능과 파워 소모량을 함께 조절하는 DVFS(Dynamic Voltage and Frequency Scaling)이다. 리눅스 운영체제는 이러한 DVFS 기술을 활용하기 위한 정책들을 제공하고 있지만, 이들은 지연시간에 민감한 애플리케이션들의 성능을 보장하기 어렵다. 그러므로 많은 기존 연구가 DVFS 기술을 활용하여 지연시간에 민감한 애플리케이션들의 성능을 보장하면서 에너지 소모량을 줄이는 기법을 제안하였다. 그러나 기존 연구들은 상용 프로세서의 DVFS 기술을 과대평가하여 단시간에 너무 많은 전압 및 주파수 변경을 시도하기 때문에, 실제 데이터센터 서버들에 적용하기 어려운 한계가 있다.

본 연구진은 현재 데이터센터 서버들에 적용 가능한 새로운 전력 관리 기법을 목표로, 리눅스의 네트워크 패킷 처리 인터페이스인 NAPI(New API)를 모니터링하고, 이를 전력 관리에 활용하는 NMAP 프레임워크를 설계 및 구현하였다. NMAPNAPI 내부의 폴링 및 인터럽트 모드에서 처리된 패킷의 비율을 활용하여, 폴링의 비율이 증가하면 전압 및 주파수를 빠르게 증가시키고, 인터럽트의 비율이 증가하면 전압 및 주파수를 천천히 감소시킨다. 그 결과 NMAP은 리눅스의 DVFS 정책 및 최신 DVFS 연구와 비교하여, 지연시간에 민감한 애플리케이션의 성능 저하 없이 각각 최대 35.7%, 14.8%의 에너지 소모량을 줄였다.

 

 

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

기존 지연시간이 중요한 애플리케이션을 위한 DVFS 연구들은 프로세서의 전압 및 주파수 변경이 몇 십 나노초 수준으로 빠르게 가능한 경우에만 사용 가능하다. 그러나 본 연구에서는 최초로 현재 상용 프로세서가 한 번 전압 및 주파수를 변경하면, 다음 변경까지 수 백 마이크로초가 필요함을 실험적으로 증명하였고, 이러한 하드웨어의 수정을 요구하지 않으면서 상용 프로세서 환경에서도 적용 가능한 새로운 소프트웨어 기반의 프로세서 전력관리 기술을 개발하였다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

웹 서버나 in-memory 데이터베이스 등 지연시간이 중요한 애플리케이션을 서비스하고 있는 모든 데이터센터 서버들에 적용 가능하다. 추후에는 네트워크 기반 애플리케이션을 구동하는 모든 종류의 컴퓨터들에서도 활용 가능할 것으로 기대한다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

NMAP은 현재 데이터센터 서버 환경에 바로 적용 가능한 기술이다. 본 연구에서는 대표적인 응용인 키-값 저장소나 웹 서버를 대상으로 성능 평가를 진행하였다. 그러나 실제 데이터 센터 환경의 적용을 위해서는 보다 다양한 애플리케이션에 대한 검증이 필요할 것으로 생각된다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

본 연구팀은 프로세서의 전력 관리 기법을 오랫동안 연구해왔다. 전력 및 에너지 소모는 데이터 센터 환경에서 지속적으로 고려되고 있는 중요한 문제이다. 이에 많은 연구가 DVFS를 활용하여 지연시간이 중요한 애플리케이션들의 성능을 보장하면서 에너지 소모량을 줄이는 기법을 제안하였다. 이들은 주로 시뮬레이션 환경에서 자신들의 연구를 평가하였으나, 그 환경이 실제 프로세서와는 거리가 있다는 것을 발견하여, 실제 서버 환경에 적용 가능한 기술을 개발하고자 하였다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

오늘 날 증가하는 컴퓨팅 요구사항에 따라, 데이터센터의 수는 빠르게 증가하고 있으며, 현재 데이터센터의 유지비용 중 에너지 소모량에 따른 비용만 한 해 수 십 조원에 달한다. 이러한 상황에서 추가적인 하드웨어 도입/교체 또는 응용 프로그램의 수정 없이 적용 가능한 NMAP은 실제 데이터센터들의 유지비용을 크게 줄일 수 있을 것이라 생각한다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

제안한 NMAP을 포함, 시스템의 반응성을 향상시킬 수 있는 전력 관리 기법을 연구하여, 추후 운영체제의 기본 전력 관리 정책으로써 활용되기를 바란다.

 

 

 

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그림설명

[그림 1] 네트워크 패킷 처리 모드를 활용한 프로세서 전력 관리 프레임워크

(그림설명) 
위의 그림은 제안한 NMAP의 동작을 간단하게 설명한 것으로, NAPI 내부의 인터럽트 및 폴링 모드로부터 네트워크 패킷 처리 정보를 얻고, 이러한 정보를 기반으로 Network Intensive Mode(프로세서의 전압 및 주파수를 최대로 설정하여 지연시간 성능 보장)와 CPU Utilization based Mode(CPU 사용률에 비례한 전압 및 주파수 설정으로 에너지 소모량 감소)를 결정하는 것을 보여주고 있다.

 

 

 

 

콘텐츠 담당 담당부서  :   대외협력팀 ㅣ 053-785-1135