案例研究：总拥有成本与资源分配

案例研究与习题作者：Parthasarathy Ranganathan。

案例研究 1：总拥有成本如何影响仓库级计算机的设计决策

本案例说明的概念：

• 总拥有成本（TCO）
• 服务器成本和功耗对整个 WSC 的影响
• 低功耗服务器的优点与缺点

习题 6.1

总拥有成本是衡量仓库级计算机（WSC）有效性的重要指标。TCO 包括 6.7 节介绍的资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX），反映整个数据中心达到某一性能水平的拥有成本。在比较不同服务器、网络和存储体系结构时，TCO 往往是数据中心所有者判断何种方案最佳的首要指标；不过， TCO 是一项考虑许多不同因素的多维计算。本案例旨在深入考察 WSC，了解不同体系结构如何影响 TCO，以及 TCO 如何影响运营商的决策。本案例使用图 6.32、图 6.33 与 6.7 节中的数据，并假设所描述的 WSC 达到运营商要求的性能水平。TCO 常用于比较在多个维度上不同的服务器方案。本案例中的习题，考察 WSC 中如何进行这类比较，以及作出决策时的复杂性。

[5/5/10]〈6.7〉 本章讨论了通过数据级并行性，使 WSC 在大型问题上取得高性能的方法。可以设想，使用高端服务器还可进一步提高性能。不过，更高性能的服务器，其价格往往会非线性增长。

a. [5]〈6.7〉 假设新服务器在相同利用率下快 10%，但贵 20%，WSC 的 CAPEX 是多少？

b. [5]〈6.7〉 如果这些服务器的功耗还增加 15%，WSC 的 OPEX 是多少？

c. [10]〈6.7〉 考虑上述速度提升与功耗增加，新服务器的成本必须是多少，才能与原集群相当？提示：根据这一 TCO 模型，你可能需要调整设施的关键负载。

习题 6.2

[5/10]〈6.7，6.9〉 为降低 OPEX，一个有吸引力的方案是使用低功耗服务器，减少运行服务器所需的总电量。不过，与高端服务器类似，高端部件的低功耗版本也存在非线性权衡。

a. [5]〈6.7，6.9〉 如果低功耗服务器在性能相同时功耗低 15%，价格却高 20%，这是划算的权衡吗？

b. [10]〈6.7，6.9〉 服务器价格降到多少时，才能与原集群相当？如果电价翻倍呢？

习题 6.3

[5/10/15]〈6.7〉 支持不同运行模式的服务器，可以让集群动态采用不同配置，以匹配工作负载的使用情况。给定低功耗服务器的功耗/性能模式见图 6.45。

a. [5]〈6.7〉 如果运营商决定让全部服务器以中等性能运行来节省电费，需要多少台服务器才能达到相同的性能水平？

b. [10]〈6.7〉 这种配置的 CAPEX 和 OPEX 是多少？

c. [15]〈6.7〉 如果另一种选择是购买便宜 20%、速度慢 $x\%$、功耗低 $y\%$ 的服务器，求使其 TCO 与基准服务器相当的性能—功耗曲线。

习题 6.4

[讨论]〈6.7〉 假设服务器运行恒定工作负载，讨论习题 6.3 中两种方案的权衡与收益。

习题 6.5

[讨论]〈6.1，6.7〉 与高性能计算（HPC）集群不同，WSC 的工作负载通常在一天中有显著波动。这次假设工作负载随时间变化，讨论习题 6.3 中两种方案的权衡与收益。

习题 6.6

[讨论]〈6.7〉 目前给出的 TCO 模型抽象掉了大量底层细节。讨论这些抽象对模型整体精度的影响。在什么情况下可以放心采用这些抽象？什么情况下加入更多细节，会得到显著不同的答案？

案例研究 2：WSC 中的资源分配与 TCO

本案例说明的概念：

• WSC 内的服务器与电力配置
• 工作负载随时间的变化
• 波动对 TCO 的影响

习题 6.7

部署高效 WSC 的一些关键挑战，是适当配置资源，并充分利用其容量。WSC 的规模，以及运行负载可能出现的变化，使这个问题十分复杂。本案例的习题说明，不同资源使用方式如何影响 TCO。根据需要使用图 6.32 和图 6.33 的数据。

[5/5/10]〈6.7〉 配置 WSC 的一项挑战，是在给定设施规模下，确定适当的电力负载。如本章所述，铭牌功率通常是很少达到的峰值。

a. [5]〈6.7〉 如果服务器铭牌功率为 200 W、成本为 $3000，估算每台服务器的 TCO 如何变化。

b. [5]〈6.7〉 再考虑功率更高、价格更低的服务器：功率为 300 W，成本为 $2000。

c. [10]〈6.7〉 如果服务器实际平均功耗只有铭牌功率的 70%，每台服务器的 TCO 如何变化？

习题 6.8

[15/10]〈6.7〉 TCO 模型的一项假设，是设施的关键负载固定，服务器数量与该负载相匹配。实际情况中，服务器功耗随负载变化，设施在不同时刻实际使用的关键功率也会变化。运营商必须根据关键电力资源，以及对数据中心部件耗电量的估计，进行初始配置。

a. [15]〈6.7〉 扩展 TCO 模型：最初按铭牌功率为 300 W 的服务器配置 WSC，但还要计算实际每月使用的关键功率和 TCO。假设服务器平均利用率为 40%，因此只消耗 225 W。有多少容量未被利用？

b. [10]〈6.7〉 对铭牌功率为 500 W、平均利用率为 20%、实际只消耗 300 W 的服务器，重复上述计算。

习题 6.9

[10]〈6.2，6.7〉 如 6.7 节所述，WSC 常以交互方式服务终端用户。交互式使用通常导致负载随一天中的时段变化，峰值与特定时段相关。例如，Netflix 租赁业务在晚间 8–10 点出现峰值；这些时段效应的总体影响相当显著。比较两种数据中心的每服务器 TCO：一种容量按凌晨 4 点的利用率配置，另一种按晚上 9 点配置。

习题 6.10

[讨论/15]〈6.2，6.7〉 讨论一些方案，以便在非高峰时段更好地利用多余服务器，或者节省成本。考虑到 WSC 的交互特征，大幅降低功耗面临哪些挑战？

习题 6.11

[讨论/25]〈6.7，6.9〉 提出一种通过降低服务器功耗来改善 TCO 的可行方法。评估你的方案有哪些挑战？估算它能带来的 TCO 改善，并说明优点与缺点。