Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Public GIT Repository
snake_case in resource::Resource
[simgrid.git] / src / surf / plugins / host_energy.cpp
1 /* Copyright (c) 2010-2018. The SimGrid Team. All rights reserved.          */
2
3 /* This program is free software; you can redistribute it and/or modify it
4  * under the terms of the license (GNU LGPL) which comes with this package. */
5
6 #include "simgrid/plugins/energy.h"
7 #include "simgrid/plugins/load.h"
8 #include "simgrid/simix.hpp"
9 #include "src/plugins/vm/VirtualMachineImpl.hpp"
10 #include "src/surf/cpu_interface.hpp"
11
12 #include "simgrid/s4u/Engine.hpp"
13
14 #include <boost/algorithm/string/classification.hpp>
15 #include <boost/algorithm/string/split.hpp>
16 #include <string>
17 #include <utility>
18 #include <vector>
19
20 /** @addtogroup plugin_energy
21
22 This is the energy plugin, enabling to account not only for computation time, but also for the dissipated energy in the
23 simulated platform.
24 To activate this plugin, first call sg_host_energy_plugin_init() before your #MSG_init(), and then use
25 MSG_host_get_consumed_energy() to retrieve the consumption of a given host.
26
27 When the host is on, this energy consumption naturally depends on both the current CPU load and the host energy profile.
28 According to our measurements, the consumption is somehow linear in the amount of cores at full speed, with an
29 abnormality when all the cores are idle. The full details are in
30 <a href="https://hal.inria.fr/hal-01523608">our scientific paper</a> on that topic.
31
32 As a result, our energy model takes 4 parameters:
33
34   - \b Idle: instantaneous consumption (in Watt) when your host is up and running, but without anything to do.
35   - \b OneCore: instantaneous consumption (in Watt) when only one core is active, at 100%.
36   - \b AllCores: instantaneous consumption (in Watt) when all cores of the host are at 100%.
37   - \b Off: instantaneous consumption (in Watt) when the host is turned off.
38
39 Here is an example of XML declaration:
40
41 \code{.xml}
42 <host id="HostA" power="100.0Mf" cores="4">
43     <prop id="watt_per_state" value="100.0:120.0:200.0" />
44     <prop id="watt_off" value="10" />
45 </host>
46 \endcode
47
48 This example gives the following parameters: \b Off is 10 Watts; \b Idle is 100 Watts; \b OneCore is 120 Watts and \b
49 AllCores is 200 Watts.
50 This is enough to compute the consumption as a function of the amount of loaded cores:
51
52 <table>
53 <tr><th>#Cores loaded</th><th>Consumption</th><th>Explanation</th></tr>
54 <tr><td>0</td><td> 100 Watts</td><td>Idle value</td></tr>
55 <tr><td>1</td><td> 120 Watts</td><td>OneCore value</td></tr>
56 <tr><td>2</td><td> 147 Watts</td><td>linear extrapolation between OneCore and AllCores</td></tr>
57 <tr><td>3</td><td> 173 Watts</td><td>linear extrapolation between OneCore and AllCores</td></tr>
58 <tr><td>4</td><td> 200 Watts</td><td>AllCores value</td></tr>
59 </table>
60
61 ### What if a given core is only at load 50%?
62
63 This is impossible in SimGrid because we recompute everything each time that the CPU starts or stops doing something.
64 So if a core is at load 50% over a period, it means that it is at load 100% half of the time and at load 0% the rest of
65 the time, and our model holds.
66
67 ### What if the host has only one core?
68
69 In this case, the parameters \b OneCore and \b AllCores are obviously the same.
70 Actually, SimGrid expect an energetic profile formatted as 'Idle:Running' for mono-cores hosts.
71 If you insist on passing 3 parameters in this case, then you must have the same value for \b OneCore and \b AllCores.
72
73 \code{.xml}
74 <host id="HostC" power="100.0Mf" cores="1">
75     <prop id="watt_per_state" value="95.0:200.0" /> <!-- we may have used '95:200:200' instead -->
76     <prop id="watt_off" value="10" />
77 </host>
78 \endcode
79
80 ### How does DVFS interact with the host energy model?
81
82 If your host has several DVFS levels (several pstates), then you should give the energetic profile of each pstate level:
83
84 \code{.xml}
85 <host id="HostC" power="100.0Mf,50.0Mf,20.0Mf" cores="4">
86     <prop id="watt_per_state" value="95.0:120.0:200.0, 93.0:115.0:170.0, 90.0:110.0:150.0" />
87     <prop id="watt_off" value="10" />
88 </host>
89 \endcode
90
91 This encodes the following values
92 <table>
93 <tr><th>pstate</th><th>Performance</th><th>Idle</th><th>OneCore</th><th>AllCores</th></tr>
94 <tr><td>0</td><td>100 Mflop/s</td><td>95 Watts</td><td>120 Watts</td><td>200 Watts</td></tr>
95 <tr><td>1</td><td>50 Mflop/s</td><td>93 Watts</td><td>115 Watts</td><td>170 Watts</td></tr>
96 <tr><td>2</td><td>20 Mflop/s</td><td>90 Watts</td><td>110 Watts</td><td>150 Watts</td></tr>
97 </table>
98
99 To change the pstate of a given CPU, use the following functions:
100 #MSG_host_get_nb_pstates(), simgrid#s4u#Host#setPstate(), #MSG_host_get_power_peak_at().
101
102 ### How accurate are these models?
103
104 This model cannot be more accurate than your instantiation: with the default values, your result will not be accurate at
105 all. You can still get accurate energy prediction, provided that you carefully instantiate the model.
106 The first step is to ensure that your timing prediction match perfectly. But this is only the first step of the path,
107 and you really want to read <a href="https://hal.inria.fr/hal-01523608">this paper</a> to see all what you need to do
108 before you can get accurate energy predictions.
109  */
110
111 XBT_LOG_NEW_DEFAULT_SUBCATEGORY(surf_energy, surf, "Logging specific to the SURF energy plugin");
112
113 namespace simgrid {
114 namespace plugin {
115
116 class PowerRange {
117 public:
118   double idle;
119   double min;
120   double max;
121
122   PowerRange(double idle, double min, double max) : idle(idle), min(min), max(max) {}
123 };
124
125 class HostEnergy {
126 public:
127   static simgrid::xbt::Extension<simgrid::s4u::Host, HostEnergy> EXTENSION_ID;
128
129   explicit HostEnergy(simgrid::s4u::Host* ptr);
130   ~HostEnergy();
131
132   double getCurrentWattsValue();
133   double getCurrentWattsValue(double cpu_load);
134   double getConsumedEnergy();
135   double getWattMinAt(int pstate);
136   double getWattMaxAt(int pstate);
137   void update();
138
139 private:
140   void initWattsRangeList();
141   simgrid::s4u::Host* host = nullptr;
142   std::vector<PowerRange>
143       power_range_watts_list; /*< List of (min_power,max_power) pairs corresponding to each cpu pstate */
144
145   /* We need to keep track of what pstate has been used, as we will sometimes be notified only *after* a pstate has been
146    * used (but we need to update the energy consumption with the old pstate!)
147    */
148   int pstate = 0;
149   const int pstate_off = -1;
150
151 public:
152   double watts_off    = 0.0; /*< Consumption when the machine is turned off (shutdown) */
153   double total_energy = 0.0; /*< Total energy consumed by the host */
154   double last_updated;       /*< Timestamp of the last energy update event*/
155 };
156
157 simgrid::xbt::Extension<simgrid::s4u::Host, HostEnergy> HostEnergy::EXTENSION_ID;
158
159 /* Computes the consumption so far. Called lazily on need. */
160 void HostEnergy::update()
161 {
162   double start_time  = this->last_updated;
163   double finish_time = surf_get_clock();
164
165   if (start_time < finish_time) {
166     double previous_energy = this->total_energy;
167
168     double instantaneous_consumption = this->getCurrentWattsValue();
169
170     double energy_this_step = instantaneous_consumption * (finish_time - start_time);
171
172     // TODO Trace: Trace energy_this_step from start_time to finish_time in host->getName()
173
174     this->total_energy = previous_energy + energy_this_step;
175     this->last_updated = finish_time;
176
177     XBT_DEBUG("[update_energy of %s] period=[%.2f-%.2f]; current power peak=%.0E flop/s; consumption change: %.2f J -> "
178               "%.2f J",
179               host->get_cname(), start_time, finish_time, host->pimpl_cpu->speed_.peak, previous_energy,
180               energy_this_step);
181   }
182
183   /* Save data for the upcoming time interval: whether it's on/off and the pstate if it's on */
184   this->pstate = host->isOn() ? host->getPstate() : pstate_off;
185 }
186
187 HostEnergy::HostEnergy(simgrid::s4u::Host* ptr) : host(ptr), last_updated(surf_get_clock())
188 {
189   initWattsRangeList();
190
191   const char* off_power_str = host->getProperty("watt_off");
192   if (off_power_str != nullptr) {
193     try {
194       this->watts_off = std::stod(std::string(off_power_str));
195     } catch (std::invalid_argument& ia) {
196       throw std::invalid_argument(std::string("Invalid value for property watt_off of host ") + host->get_cname() +
197                                   ": " + off_power_str);
198     }
199   }
200   /* watts_off is 0 by default */
201 }
202
203 HostEnergy::~HostEnergy() = default;
204
205 double HostEnergy::getWattMinAt(int pstate)
206 {
207   xbt_assert(not power_range_watts_list.empty(), "No power range properties specified for host %s", host->get_cname());
208   return power_range_watts_list[pstate].min;
209 }
210
211 double HostEnergy::getWattMaxAt(int pstate)
212 {
213   xbt_assert(not power_range_watts_list.empty(), "No power range properties specified for host %s", host->get_cname());
214   return power_range_watts_list[pstate].max;
215 }
216
217 /** @brief Computes the power consumed by the host according to the current situation
218  *
219  * - If the host is off, that's the watts_off value
220  * - if it's on, take the current pstate and the current processor load into account */
221 double HostEnergy::getCurrentWattsValue()
222 {
223   if (this->pstate == pstate_off) // The host is off (or was off at the beginning of this time interval)
224     return this->watts_off;
225
226   double current_speed = host->getSpeed();
227
228   double cpu_load;
229   // We may have start == finish if the past consumption was updated since the simcall was started
230   // for example if 2 actors requested to update the same host's consumption in a given scheduling round.
231   //
232   // Even in this case, we need to save the pstate for the next call (after this big if),
233   // which may have changed since that recent update.
234
235   if (current_speed <= 0)
236     // Some users declare a pstate of speed 0 flops (e.g., to model boot time).
237     // We consider that the machine is then fully loaded. That's arbitrary but it avoids a NaN
238     cpu_load = 1;
239   else
240     cpu_load = host->pimpl_cpu->get_constraint()->get_usage() / current_speed;
241
242   /** Divide by the number of cores here **/
243   cpu_load /= host->pimpl_cpu->coreCount();
244
245   if (cpu_load > 1) // A machine with a load > 1 consumes as much as a fully loaded machine, not more
246     cpu_load = 1;
247
248   /* The problem with this model is that the load is always 0 or 1, never something less.
249    * Another possibility could be to model the total energy as
250    *
251    *   X/(X+Y)*W_idle + Y/(X+Y)*W_burn
252    *
253    * where X is the amount of idling cores, and Y the amount of computing cores.
254    */
255   return getCurrentWattsValue(cpu_load);
256 }
257
258 /** @brief Computes the power that the host would consume at the provided processor load
259  *
260  * Whether the host is ON or OFF is not taken into account.
261  */
262 double HostEnergy::getCurrentWattsValue(double cpu_load)
263 {
264   xbt_assert(not power_range_watts_list.empty(), "No power range properties specified for host %s", host->get_cname());
265
266   /* Return watts_off if pstate == pstate_off (ie, if the host is off) */
267   if (this->pstate == pstate_off) {
268     return watts_off;
269   }
270
271   /* min_power corresponds to the power consumed when only one core is active */
272   /* max_power is the power consumed at 100% cpu load       */
273   auto range           = power_range_watts_list.at(this->pstate);
274   double current_power = 0;
275   double min_power     = 0;
276   double max_power     = 0;
277   double power_slope   = 0;
278
279   if (cpu_load > 0) { /* Something is going on, the machine is not idle */
280     double min_power = range.min;
281     double max_power = range.max;
282
283     /**
284      * The min_power states how much we consume when only one single
285      * core is working. This means that when cpu_load == 1/coreCount, then
286      * current_power == min_power.
287      *
288      * The maximum must be reached when all cores are working (but 1 core was
289      * already accounted for by min_power)
290      * i.e., we need min_power + (maxCpuLoad-1/coreCount)*power_slope == max_power
291      * (maxCpuLoad is by definition 1)
292      */
293     double power_slope;
294     int coreCount         = host->getCoreCount();
295     double coreReciprocal = static_cast<double>(1) / static_cast<double>(coreCount);
296     if (coreCount > 1)
297       power_slope = (max_power - min_power) / (1 - coreReciprocal);
298     else
299       power_slope = 0; // Should be 0, since max_power == min_power (in this case)
300
301     current_power = min_power + (cpu_load - coreReciprocal) * power_slope;
302   } else { /* Our machine is idle, take the dedicated value! */
303     current_power = range.idle;
304   }
305
306   XBT_DEBUG("[get_current_watts] min_power=%f, max_power=%f, slope=%f", min_power, max_power, power_slope);
307   XBT_DEBUG("[get_current_watts] Current power (watts) = %f, load = %f", current_power, cpu_load);
308
309   return current_power;
310 }
311
312 double HostEnergy::getConsumedEnergy()
313 {
314   if (last_updated < surf_get_clock()) // We need to simcall this as it modifies the environment
315     simgrid::simix::kernelImmediate(std::bind(&HostEnergy::update, this));
316
317   return total_energy;
318 }
319
320 void HostEnergy::initWattsRangeList()
321 {
322   const char* all_power_values_str = host->getProperty("watt_per_state");
323   if (all_power_values_str == nullptr)
324     return;
325
326   std::vector<std::string> all_power_values;
327   boost::split(all_power_values, all_power_values_str, boost::is_any_of(","));
328   XBT_DEBUG("%s: profile: %s, cores: %d", host->get_cname(), all_power_values_str, host->getCoreCount());
329
330   int i = 0;
331   for (auto const& current_power_values_str : all_power_values) {
332     /* retrieve the power values associated with the current pstate */
333     std::vector<std::string> current_power_values;
334     boost::split(current_power_values, current_power_values_str, boost::is_any_of(":"));
335     if (host->getCoreCount() == 1) {
336       xbt_assert(current_power_values.size() == 2 || current_power_values.size() == 3,
337                  "Power properties incorrectly defined for host %s."
338                  "It should be 'Idle:FullSpeed' power values because you have one core only.",
339                  host->get_cname());
340       if (current_power_values.size() == 2) {
341         // In this case, 1core == AllCores
342         current_power_values.push_back(current_power_values.at(1));
343       } else { // size == 3
344         xbt_assert((current_power_values.at(1)) == (current_power_values.at(2)),
345                    "Power properties incorrectly defined for host %s.\n"
346                    "The energy profile of mono-cores should be formatted as 'Idle:FullSpeed' only.\n"
347                    "If you go for a 'Idle:OneCore:AllCores' power profile on mono-cores, then OneCore and AllCores "
348                    "must be equal.",
349                    host->get_cname());
350       }
351     } else {
352       xbt_assert(current_power_values.size() == 3,
353                  "Power properties incorrectly defined for host %s."
354                  "It should be 'Idle:OneCore:AllCores' power values because you have more than one core.",
355                  host->get_cname());
356     }
357
358     /* min_power corresponds to the idle power (cpu load = 0) */
359     /* max_power is the power consumed at 100% cpu load       */
360     char* msg_idle = bprintf("Invalid idle value for pstate %d on host %s: %%s", i, host->get_cname());
361     char* msg_min  = bprintf("Invalid OneCore value for pstate %d on host %s: %%s", i, host->get_cname());
362     char* msg_max  = bprintf("Invalid AllCores value for pstate %d on host %s: %%s", i, host->get_cname());
363     PowerRange range(xbt_str_parse_double((current_power_values.at(0)).c_str(), msg_idle),
364                      xbt_str_parse_double((current_power_values.at(1)).c_str(), msg_min),
365                      xbt_str_parse_double((current_power_values.at(2)).c_str(), msg_max));
366     power_range_watts_list.push_back(range);
367     xbt_free(msg_idle);
368     xbt_free(msg_min);
369     xbt_free(msg_max);
370     i++;
371   }
372 }
373 }
374 }
375
376 using simgrid::plugin::HostEnergy;
377
378 /* **************************** events  callback *************************** */
379 static void onCreation(simgrid::s4u::Host& host)
380 {
381   if (dynamic_cast<simgrid::s4u::VirtualMachine*>(&host)) // Ignore virtual machines
382     return;
383
384   // TODO Trace: set to zero the energy variable associated to host->getName()
385
386   host.extension_set(new HostEnergy(&host));
387 }
388
389 static void onActionStateChange(simgrid::surf::CpuAction* action, simgrid::kernel::resource::Action::State previous)
390 {
391   for (simgrid::surf::Cpu* const& cpu : action->cpus()) {
392     simgrid::s4u::Host* host = cpu->getHost();
393     if (host != nullptr) {
394
395       // If it's a VM, take the corresponding PM
396       simgrid::s4u::VirtualMachine* vm = dynamic_cast<simgrid::s4u::VirtualMachine*>(host);
397       if (vm) // If it's a VM, take the corresponding PM
398         host = vm->getPm();
399
400       // Get the host_energy extension for the relevant host
401       HostEnergy* host_energy = host->extension<HostEnergy>();
402
403       if (host_energy->last_updated < surf_get_clock())
404         host_energy->update();
405     }
406   }
407 }
408
409 /* This callback is fired either when the host changes its state (on/off) ("onStateChange") or its speed
410  * (because the user changed the pstate, or because of external trace events) ("onSpeedChange") */
411 static void onHostChange(simgrid::s4u::Host& host)
412 {
413   if (dynamic_cast<simgrid::s4u::VirtualMachine*>(&host)) // Ignore virtual machines
414     return;
415
416   HostEnergy* host_energy = host.extension<HostEnergy>();
417
418   host_energy->update();
419 }
420
421 static void onHostDestruction(simgrid::s4u::Host& host)
422 {
423   if (dynamic_cast<simgrid::s4u::VirtualMachine*>(&host)) // Ignore virtual machines
424     return;
425
426   XBT_INFO("Energy consumption of host %s: %f Joules", host.get_cname(),
427            host.extension<HostEnergy>()->getConsumedEnergy());
428 }
429
430 static void onSimulationEnd()
431 {
432   std::vector<simgrid::s4u::Host*> hosts = simgrid::s4u::Engine::getInstance()->getAllHosts();
433
434   double total_energy      = 0.0; // Total energy consumption (whole platform)
435   double used_hosts_energy = 0.0; // Energy consumed by hosts that computed something
436   for (size_t i = 0; i < hosts.size(); i++) {
437     if (dynamic_cast<simgrid::s4u::VirtualMachine*>(hosts[i]) == nullptr) { // Ignore virtual machines
438
439       bool host_was_used = (sg_host_get_computed_flops(hosts[i]) != 0);
440       double energy      = hosts[i]->extension<HostEnergy>()->getConsumedEnergy();
441       total_energy      += energy;
442       if (host_was_used)
443         used_hosts_energy += energy;
444     }
445   }
446   XBT_INFO("Total energy consumption: %f Joules (used hosts: %f Joules; unused/idle hosts: %f)",
447            total_energy, used_hosts_energy, total_energy - used_hosts_energy);
448 }
449
450 /* **************************** Public interface *************************** */
451
452 /** \ingroup plugin_energy
453  * \brief Enable host energy plugin
454  * \details Enable energy plugin to get joules consumption of each cpu. Call this function before #MSG_init().
455  */
456 void sg_host_energy_plugin_init()
457 {
458   if (HostEnergy::EXTENSION_ID.valid())
459     return;
460
461   sg_host_load_plugin_init();
462
463   HostEnergy::EXTENSION_ID = simgrid::s4u::Host::extension_create<HostEnergy>();
464
465   simgrid::s4u::Host::onCreation.connect(&onCreation);
466   simgrid::s4u::Host::onStateChange.connect(&onHostChange);
467   simgrid::s4u::Host::onSpeedChange.connect(&onHostChange);
468   simgrid::s4u::Host::onDestruction.connect(&onHostDestruction);
469   simgrid::s4u::onSimulationEnd.connect(&onSimulationEnd);
470   simgrid::surf::CpuAction::onStateChange.connect(&onActionStateChange);
471 }
472
473 /** @ingroup plugin_energy
474  *  @brief updates the consumption of all hosts
475  *
476  * After this call, sg_host_get_consumed_energy() will not interrupt your process
477  * (until after the next clock update).
478  */
479 void sg_host_energy_update_all()
480 {
481   simgrid::simix::kernelImmediate([]() {
482     std::vector<simgrid::s4u::Host*> list = simgrid::s4u::Engine::getInstance()->getAllHosts();
483     for (auto const& host : list)
484       if (dynamic_cast<simgrid::s4u::VirtualMachine*>(host) == nullptr) // Ignore virtual machines
485         host->extension<HostEnergy>()->update();
486   });
487 }
488
489 /** @ingroup plugin_energy
490  *  @brief Returns the total energy consumed by the host so far (in Joules)
491  *
492  *  Please note that since the consumption is lazily updated, it may require a simcall to update it.
493  *  The result is that the actor requesting this value will be interrupted,
494  *  the value will be updated in kernel mode before returning the control to the requesting actor.
495  */
496 double sg_host_get_consumed_energy(sg_host_t host)
497 {
498   xbt_assert(HostEnergy::EXTENSION_ID.valid(),
499              "The Energy plugin is not active. Please call sg_host_energy_plugin_init() during initialization.");
500   return host->extension<HostEnergy>()->getConsumedEnergy();
501 }
502
503 /** @ingroup plugin_energy
504  *  @brief Get the amount of watt dissipated at the given pstate when the host is idling
505  */
506 double sg_host_get_wattmin_at(sg_host_t host, int pstate)
507 {
508   xbt_assert(HostEnergy::EXTENSION_ID.valid(),
509              "The Energy plugin is not active. Please call sg_host_energy_plugin_init() during initialization.");
510   return host->extension<HostEnergy>()->getWattMinAt(pstate);
511 }
512 /** @ingroup plugin_energy
513  *  @brief  Returns the amount of watt dissipated at the given pstate when the host burns CPU at 100%
514  */
515 double sg_host_get_wattmax_at(sg_host_t host, int pstate)
516 {
517   xbt_assert(HostEnergy::EXTENSION_ID.valid(),
518              "The Energy plugin is not active. Please call sg_host_energy_plugin_init() during initialization.");
519   return host->extension<HostEnergy>()->getWattMaxAt(pstate);
520 }
521
522 /** @ingroup plugin_energy
523  *  @brief Returns the current consumption of the host
524  */
525 double sg_host_get_current_consumption(sg_host_t host)
526 {
527   xbt_assert(HostEnergy::EXTENSION_ID.valid(),
528              "The Energy plugin is not active. Please call sg_host_energy_plugin_init() during initialization.");
529   return host->extension<HostEnergy>()->getCurrentWattsValue();
530 }