Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Public GIT Repository
3096d22d72006fa61f84abd10b3703ead00e91f8
[simgrid.git] / src / surf / plugins / host_energy.cpp
1 /* Copyright (c) 2010-2017. 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/simix.hpp"
8 #include "src/plugins/vm/VirtualMachineImpl.hpp"
9 #include "src/surf/cpu_interface.hpp"
10
11 #include "simgrid/s4u/Engine.hpp"
12
13 #include <boost/algorithm/string/classification.hpp>
14 #include <boost/algorithm/string/split.hpp>
15 #include <string>
16 #include <utility>
17 #include <vector>
18
19 /** @addtogroup plugin_energy
20
21
22 This is the energy plugin, enabling to account not only for computation time,
23 but also for the dissipated energy in the simulated platform.
24 To activate this plugin, first call sg_host_energy_plugin_init() before your #MSG_init(),
25 and then use 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
28 current CPU load and the host energy profile. According to our measurements,
29 the consumption is somehow linear in the amount of cores at full speed,
30 with an abnormality when all the cores are idle. The full details are in
31 <a href="https://hal.inria.fr/hal-01523608">our scientific paper</a> on that topic.
32
33 As a result, our energy model takes 4 parameters:
34
35   - \b Idle: instantaneous consumption (in Watt) when your host is up and running, but without anything to do.
36   - \b OneCore: instantaneous consumption (in Watt) when only one core is active, at 100%.
37   - \b AllCores: instantaneous consumption (in Watt) when all cores of the host are at 100%.
38   - \b Off: instantaneous consumption (in Watt) when the host is turned off.
39
40 Here is an example of XML declaration:
41
42 \code{.xml}
43 <host id="HostA" power="100.0Mf" cores="4">
44     <prop id="watt_per_state" value="100.0:120.0:200.0" />
45     <prop id="watt_off" value="10" />
46 </host>
47 \endcode
48
49 This example gives the following parameters: \b Off is 10 Watts; \b Idle is 100 Watts; \b OneCore is 120 Watts and \b
50 AllCores is 200 Watts.
51 This is enough to compute the consumption as a function of the amount of loaded cores:
52
53 <table>
54 <tr><th>#Cores loaded</th><th>Consumption</th><th>Explanation</th></tr>
55 <tr><td>0</td><td> 100 Watts</td><td>Idle value</td></tr>
56 <tr><td>1</td><td> 120 Watts</td><td>OneCore value</td></tr>
57 <tr><td>2</td><td> 147 Watts</td><td>linear extrapolation between OneCore and AllCores</td></tr>
58 <tr><td>3</td><td> 173 Watts</td><td>linear extrapolation between OneCore and AllCores</td></tr>
59 <tr><td>4</td><td> 200 Watts</td><td>AllCores value</td></tr>
60 </table>
61
62 ### What if a given core is only at load 50%?
63
64 This is impossible in SimGrid because we recompute everything each time
65 that the CPU starts or stops doing something. So if a core is at load 50% over
66 a period, it means that it is at load 100% half of the time and at load 0% the
67 rest of the time, and our model holds.
68
69 ### What if the host has only one core?
70
71 In this case, the parameters \b OneCore and \b AllCores are obviously the same.
72 Actually, SimGrid expect an energetic profile formated as 'Idle:Running' for mono-cores hosts.
73 If you insist on passing 3 parameters in this case, then you must have the same value for \b OneCore and \b AllCores.
74
75 \code{.xml}
76 <host id="HostC" power="100.0Mf" cores="1">
77     <prop id="watt_per_state" value="95.0:200.0" /> <!-- we may have used '95:200:200' instead -->
78     <prop id="watt_off" value="10" />
79 </host>
80 \endcode
81
82 ### How does DVFS interact with the host energy model?
83
84 If your host has several DVFS levels (several pstates), then you should
85 give the energetic profile of each pstate level:
86
87 \code{.xml}
88 <host id="HostC" power="100.0Mf,50.0Mf,20.0Mf" cores="4">
89     <prop id="watt_per_state" value="95.0:120.0:200.0, 93.0:115.0:170.0, 90.0:110.0:150.0" />
90     <prop id="watt_off" value="10" />
91 </host>
92 \endcode
93
94 This encodes the following values
95 <table>
96 <tr><th>pstate</th><th>Performance</th><th>Idle</th><th>OneCore</th><th>AllCores</th></tr>
97 <tr><td>0</td><td>100 Mflop/s</td><td>95 Watts</td><td>120 Watts</td><td>200 Watts</td></tr>
98 <tr><td>1</td><td>50 Mflop/s</td><td>93 Watts</td><td>115 Watts</td><td>170 Watts</td></tr>
99 <tr><td>2</td><td>20 Mflop/s</td><td>90 Watts</td><td>110 Watts</td><td>150 Watts</td></tr>
100 </table>
101
102 To change the pstate of a given CPU, use the following functions:
103 #MSG_host_get_nb_pstates(), simgrid#s4u#Host#setPstate(), #MSG_host_get_power_peak_at().
104
105 ### How accurate are these models?
106
107 This model cannot be more accurate than your instantiation:
108 with the default values, your result will not be accurate at all. You can still get
109 accurate energy prediction, provided that you carefully instantiate the model.
110 The first step is to ensure that your timing prediction match perfectly. But this
111 is only the first step of the path, and you really want to read
112 <a href="https://hal.inria.fr/hal-01523608">this paper</a> to see all what you need
113 to do before you can get accurate energy predictions.
114
115  */
116
117 XBT_LOG_NEW_DEFAULT_SUBCATEGORY(surf_energy, surf, "Logging specific to the SURF energy plugin");
118
119 namespace simgrid {
120 namespace energy {
121
122 class PowerRange {
123 public:
124   double idle;
125   double min;
126   double max;
127
128   PowerRange(double idle, double min, double max) : idle(idle), min(min), max(max) {}
129 };
130
131 class HostEnergy {
132 public:
133   static simgrid::xbt::Extension<simgrid::s4u::Host, HostEnergy> EXTENSION_ID;
134
135   explicit HostEnergy(simgrid::s4u::Host* ptr);
136   ~HostEnergy();
137
138   double getCurrentWattsValue(double cpu_load);
139   double getConsumedEnergy();
140   double getWattMinAt(int pstate);
141   double getWattMaxAt(int pstate);
142   void update();
143
144 private:
145   void initWattsRangeList();
146   simgrid::s4u::Host* host = nullptr;
147   std::vector<PowerRange>
148       power_range_watts_list; /*< List of (min_power,max_power) pairs corresponding to each cpu pstate */
149
150   /* We need to keep track of what pstate has been used, as we will sometimes
151    * be notified only *after* a pstate has been used (but we need to update the energy consumption
152    * with the old pstate!)
153    */
154   int pstate = 0;
155
156 public:
157   double watts_off    = 0.0; /*< Consumption when the machine is turned off (shutdown) */
158   double total_energy = 0.0; /*< Total energy consumed by the host */
159   double last_updated;       /*< Timestamp of the last energy update event*/
160 };
161
162 simgrid::xbt::Extension<simgrid::s4u::Host, HostEnergy> HostEnergy::EXTENSION_ID;
163
164 /* Computes the consumption so far.  Called lazily on need. */
165 void HostEnergy::update()
166 {
167   double start_time  = this->last_updated;
168   double finish_time = surf_get_clock();
169   double current_speed = host->getSpeed();
170
171   if (start_time < finish_time) {
172     double cpu_load;
173     // We may have start == finish if the past consumption was updated since the simcall was started
174     // for example if 2 actors requested to update the same host's consumption in a given scheduling round.
175     //
176     // Even in this case, we need to save the pstate for the next call (after this big if),
177     // which may have changed since that recent update.
178
179     if (current_speed <= 0)
180       // Some users declare a pstate of speed 0 flops (e.g., to model boot time).
181       // We consider that the machine is then fully loaded. That's arbitrary but it avoids a NaN
182       cpu_load = 1;
183     else
184       cpu_load = lmm_constraint_get_usage(host->pimpl_cpu->constraint()) / current_speed;
185
186     /** Divide by the number of cores here **/
187     cpu_load /= host->pimpl_cpu->coreCount();
188
189     if (cpu_load > 1) // A machine with a load > 1 consumes as much as a fully loaded machine, not more
190       cpu_load = 1;
191
192     /* The problem with this model is that the load is always 0 or 1, never something less.
193      * Another possibility could be to model the total energy as
194      *
195      *   X/(X+Y)*W_idle + Y/(X+Y)*W_burn
196      *
197      * where X is the amount of idling cores, and Y the amount of computing cores.
198      */
199
200     double previous_energy = this->total_energy;
201
202     double instantaneous_consumption;
203     if (this->pstate == -1) // The host was off at the beginning of this time interval
204       instantaneous_consumption = this->watts_off;
205     else
206       instantaneous_consumption = this->getCurrentWattsValue(cpu_load);
207
208     double energy_this_step = instantaneous_consumption * (finish_time - start_time);
209
210     // TODO Trace: Trace energy_this_step from start_time to finish_time in host->name()
211
212     this->total_energy = previous_energy + energy_this_step;
213     this->last_updated = finish_time;
214
215     XBT_DEBUG("[update_energy of %s] period=[%.2f-%.2f]; current power peak=%.0E flop/s; consumption change: %.2f J -> "
216               "%.2f J",
217               host->getCname(), start_time, finish_time, host->pimpl_cpu->speed_.peak, previous_energy,
218               energy_this_step);
219   }
220
221   /* Save data for the upcoming time interval: whether it's on/off and the pstate if it's on */
222   this->pstate = host->isOn() ? host->getPstate() : -1;
223 }
224
225 HostEnergy::HostEnergy(simgrid::s4u::Host* ptr) : host(ptr), last_updated(surf_get_clock())
226 {
227   initWattsRangeList();
228
229   const char* off_power_str = host->getProperty("watt_off");
230   if (off_power_str != nullptr) {
231     char* msg       = bprintf("Invalid value for property watt_off of host %s: %%s", host->getCname());
232     this->watts_off = xbt_str_parse_double(off_power_str, msg);
233     xbt_free(msg);
234   }
235   /* watts_off is 0 by default */
236 }
237
238 HostEnergy::~HostEnergy() = default;
239
240 double HostEnergy::getWattMinAt(int pstate)
241 {
242   xbt_assert(not power_range_watts_list.empty(), "No power range properties specified for host %s", host->getCname());
243   return power_range_watts_list[pstate].min;
244 }
245
246 double HostEnergy::getWattMaxAt(int pstate)
247 {
248   xbt_assert(not power_range_watts_list.empty(), "No power range properties specified for host %s", host->getCname());
249   return power_range_watts_list[pstate].max;
250 }
251
252 /** @brief Computes the power consumed by the host according to the current pstate and processor load */
253 double HostEnergy::getCurrentWattsValue(double cpu_load)
254 {
255   xbt_assert(not power_range_watts_list.empty(), "No power range properties specified for host %s", host->getCname());
256
257   /* min_power corresponds to the power consumed when only one core is active */
258   /* max_power is the power consumed at 100% cpu load       */
259   auto range           = power_range_watts_list.at(this->pstate);
260   double current_power = 0;
261   double min_power     = 0;
262   double max_power     = 0;
263   double power_slope   = 0;
264
265   if (cpu_load > 0) { /* Something is going on, the machine is not idle */
266     double min_power = range.min;
267     double max_power = range.max;
268
269     /**
270      * The min_power states how much we consume when only one single
271      * core is working. This means that when cpu_load == 1/coreCount, then
272      * current_power == min_power.
273      *
274      * The maximum must be reached when all cores are working (but 1 core was
275      * already accounted for by min_power)
276      * i.e., we need min_power + (maxCpuLoad-1/coreCount)*power_slope == max_power
277      * (maxCpuLoad is by definition 1)
278      */
279     double power_slope;
280     int coreCount         = host->getCoreCount();
281     double coreReciprocal = static_cast<double>(1) / static_cast<double>(coreCount);
282     if (coreCount > 1)
283       power_slope = (max_power - min_power) / (1 - coreReciprocal);
284     else
285       power_slope = 0; // Should be 0, since max_power == min_power (in this case)
286
287     current_power = min_power + (cpu_load - coreReciprocal) * power_slope;
288   } else { /* Our machine is idle, take the dedicated value! */
289     current_power = range.idle;
290   }
291
292   XBT_DEBUG("[get_current_watts] min_power=%f, max_power=%f, slope=%f", min_power, max_power, power_slope);
293   XBT_DEBUG("[get_current_watts] Current power (watts) = %f, load = %f", current_power, cpu_load);
294
295   return current_power;
296 }
297
298 double HostEnergy::getConsumedEnergy()
299 {
300   if (last_updated < surf_get_clock()) // We need to simcall this as it modifies the environment
301     simgrid::simix::kernelImmediate(std::bind(&HostEnergy::update, this));
302
303   return total_energy;
304 }
305
306 void HostEnergy::initWattsRangeList()
307 {
308   const char* all_power_values_str = host->getProperty("watt_per_state");
309   if (all_power_values_str == nullptr)
310     return;
311
312   std::vector<std::string> all_power_values;
313   boost::split(all_power_values, all_power_values_str, boost::is_any_of(","));
314   XBT_DEBUG("%s: profile: %s, cores: %d", host->getCname(), all_power_values_str, host->getCoreCount());
315
316   int i = 0;
317   for (auto current_power_values_str : all_power_values) {
318     /* retrieve the power values associated with the current pstate */
319     std::vector<std::string> current_power_values;
320     boost::split(current_power_values, current_power_values_str, boost::is_any_of(":"));
321     if (host->getCoreCount() == 1) {
322       xbt_assert(current_power_values.size() == 2 || current_power_values.size() == 3,
323                  "Power properties incorrectly defined for host %s."
324                  "It should be 'Idle:FullSpeed' power values because you have one core only.",
325                  host->getCname());
326       if (current_power_values.size() == 2) {
327         // In this case, 1core == AllCores
328         current_power_values.push_back(current_power_values.at(1));
329       } else { // size == 3
330         xbt_assert((current_power_values.at(1)) == (current_power_values.at(2)),
331                    "Power properties incorrectly defined for host %s.\n"
332                    "The energy profile of mono-cores should be formated as 'Idle:FullSpeed' only.\n"
333                    "If you go for a 'Idle:OneCore:AllCores' power profile on mono-cores, then OneCore and AllCores "
334                    "must be equal.",
335                    host->getCname());
336       }
337     } else {
338       xbt_assert(current_power_values.size() == 3,
339                  "Power properties incorrectly defined for host %s."
340                  "It should be 'Idle:OneCore:AllCores' power values because you have more than one core.",
341                  host->getCname());
342     }
343
344     /* min_power corresponds to the idle power (cpu load = 0) */
345     /* max_power is the power consumed at 100% cpu load       */
346     char* msg_idle = bprintf("Invalid idle value for pstate %d on host %s: %%s", i, host->getCname());
347     char* msg_min  = bprintf("Invalid OneCore value for pstate %d on host %s: %%s", i, host->getCname());
348     char* msg_max  = bprintf("Invalid AllCores value for pstate %d on host %s: %%s", i, host->getCname());
349     PowerRange range(xbt_str_parse_double((current_power_values.at(0)).c_str(), msg_idle),
350                      xbt_str_parse_double((current_power_values.at(1)).c_str(), msg_min),
351                      xbt_str_parse_double((current_power_values.at(2)).c_str(), msg_max));
352     power_range_watts_list.push_back(range);
353     xbt_free(msg_idle);
354     xbt_free(msg_min);
355     xbt_free(msg_max);
356     i++;
357   }
358 }
359 }
360 }
361
362 using simgrid::energy::HostEnergy;
363
364 /* **************************** events  callback *************************** */
365 static void onCreation(simgrid::s4u::Host& host)
366 {
367   if (dynamic_cast<simgrid::s4u::VirtualMachine*>(&host)) // Ignore virtual machines
368     return;
369
370   //TODO Trace: set to zero the energy variable associated to host->name()
371
372   host.extension_set(new HostEnergy(&host));
373 }
374
375 static void onActionStateChange(simgrid::surf::CpuAction* action, simgrid::surf::Action::State previous)
376 {
377   for (simgrid::surf::Cpu* cpu : action->cpus()) {
378     simgrid::s4u::Host* host = cpu->getHost();
379     if (host != nullptr) {
380
381       // If it's a VM, take the corresponding PM
382       simgrid::s4u::VirtualMachine* vm = dynamic_cast<simgrid::s4u::VirtualMachine*>(host);
383       if (vm) // If it's a VM, take the corresponding PM
384         host = vm->pimpl_vm_->getPm();
385
386       // Get the host_energy extension for the relevant host
387       HostEnergy* host_energy = host->extension<HostEnergy>();
388
389       if (host_energy->last_updated < surf_get_clock())
390         host_energy->update();
391     }
392   }
393 }
394
395 /* This callback is fired either when the host changes its state (on/off) ("onStateChange") or its speed
396  * (because the user changed the pstate, or because of external trace events) ("onSpeedChange") */
397 static void onHostChange(simgrid::s4u::Host& host)
398 {
399   if (dynamic_cast<simgrid::s4u::VirtualMachine*>(&host)) // Ignore virtual machines
400     return;
401
402   HostEnergy* host_energy = host.extension<HostEnergy>();
403
404   host_energy->update();
405 }
406
407 static void onHostDestruction(simgrid::s4u::Host& host)
408 {
409   if (dynamic_cast<simgrid::s4u::VirtualMachine*>(&host)) // Ignore virtual machines
410     return;
411
412   HostEnergy* host_energy = host.extension<HostEnergy>();
413   host_energy->update();
414   XBT_INFO("Energy consumption of host %s: %f Joules", host.getCname(), host_energy->getConsumedEnergy());
415 }
416
417 static void onSimulationEnd()
418 {
419   sg_host_t* host_list     = sg_host_list();
420   int host_count           = sg_host_count();
421   double total_energy      = 0.0; // Total energy consumption (whole platform)
422   double used_hosts_energy = 0.0; // Energy consumed by hosts that computed something
423   for (int i = 0; i < host_count; i++) {
424     if (dynamic_cast<simgrid::s4u::VirtualMachine*>(host_list[i]) == nullptr) { // Ignore virtual machines
425
426       bool host_was_used = (host_list[i]->extension<HostEnergy>()->last_updated != 0);
427       double energy      = host_list[i]->extension<HostEnergy>()->getConsumedEnergy();
428       total_energy      += energy;
429       if (host_was_used)
430         used_hosts_energy += energy;
431     }
432   }
433   XBT_INFO("Total energy consumption: %f Joules (used hosts: %f Joules; unused/idle hosts: %f)",
434            total_energy, used_hosts_energy, total_energy - used_hosts_energy);
435   xbt_free(host_list);
436 }
437
438 /* **************************** Public interface *************************** */
439 SG_BEGIN_DECL()
440
441 /** \ingroup plugin_energy
442  * \brief Enable host energy plugin
443  * \details Enable energy plugin to get joules consumption of each cpu. Call this function before #MSG_init().
444  */
445 void sg_host_energy_plugin_init()
446 {
447   if (HostEnergy::EXTENSION_ID.valid())
448     return;
449
450   HostEnergy::EXTENSION_ID = simgrid::s4u::Host::extension_create<HostEnergy>();
451
452   simgrid::s4u::Host::onCreation.connect(&onCreation);
453   simgrid::s4u::Host::onStateChange.connect(&onHostChange);
454   simgrid::s4u::Host::onSpeedChange.connect(&onHostChange);
455   simgrid::s4u::Host::onDestruction.connect(&onHostDestruction);
456   simgrid::s4u::onSimulationEnd.connect(&onSimulationEnd);
457   simgrid::surf::CpuAction::onStateChange.connect(&onActionStateChange);
458 }
459
460 /** @ingroup plugin_energy
461  *  @brief updates the consumption of all hosts
462  *
463  * After this call, sg_host_get_consumed_energy() will not interrupt your process
464  * (until after the next clock update).
465  */
466 void sg_host_energy_update_all()
467 {
468   simgrid::simix::kernelImmediate([]() {
469     std::vector<simgrid::s4u::Host*> list;
470     simgrid::s4u::Engine::getInstance()->getHostList(&list);
471     for (auto host : list)
472       if (dynamic_cast<simgrid::s4u::VirtualMachine*>(host) == nullptr) // Ignore virtual machines
473         host->extension<HostEnergy>()->update();
474   });
475 }
476
477 /** @ingroup plugin_energy
478  *  @brief Returns the total energy consumed by the host so far (in Joules)
479  *
480  *  Please note that since the consumption is lazily updated, it may require a simcall to update it.
481  *  The result is that the actor requesting this value will be interrupted,
482  *  the value will be updated in kernel mode before returning the control to the requesting actor.
483  */
484 double sg_host_get_consumed_energy(sg_host_t host)
485 {
486   xbt_assert(HostEnergy::EXTENSION_ID.valid(),
487              "The Energy plugin is not active. Please call sg_energy_plugin_init() during initialization.");
488   return host->extension<HostEnergy>()->getConsumedEnergy();
489 }
490
491 /** @ingroup plugin_energy
492  *  @brief Get the amount of watt dissipated at the given pstate when the host is idling
493  */
494 double sg_host_get_wattmin_at(sg_host_t host, int pstate)
495 {
496   xbt_assert(HostEnergy::EXTENSION_ID.valid(),
497              "The Energy plugin is not active. Please call sg_energy_plugin_init() during initialization.");
498   return host->extension<HostEnergy>()->getWattMinAt(pstate);
499 }
500 /** @ingroup plugin_energy
501  *  @brief  Returns the amount of watt dissipated at the given pstate when the host burns CPU at 100%
502  */
503 double sg_host_get_wattmax_at(sg_host_t host, int pstate)
504 {
505   xbt_assert(HostEnergy::EXTENSION_ID.valid(),
506              "The Energy plugin is not active. Please call sg_energy_plugin_init() during initialization.");
507   return host->extension<HostEnergy>()->getWattMaxAt(pstate);
508 }
509
510 /** @ingroup plugin_energy
511  *  @brief Returns the current consumption of the host
512  */
513 double sg_host_get_current_consumption(sg_host_t host)
514 {
515   xbt_assert(HostEnergy::EXTENSION_ID.valid(),
516              "The Energy plugin is not active. Please call sg_energy_plugin_init() during initialization.");
517   double cpu_load = lmm_constraint_get_usage(host->pimpl_cpu->constraint()) / host->getSpeed();
518   return host->extension<HostEnergy>()->getCurrentWattsValue(cpu_load);
519 }
520
521 SG_END_DECL()