性能功耗测量：如何工作？

Question

我注意到，perf list现在可以选择测量功耗。您可以按以下方式使用它：

$ perf stat -e power/energy-cores/ ./a.out 
Performance counter stats for 'system wide':

              8.55 Joules power/energy-cores/

       0.949871058 seconds time elapsed

此测量的准确度如何，性能如何估计功耗？

Answer 1

在 x86 系统上，这些值基于 RAPL（运行平均功率限制） - 一个提供内置 CPU 能量计数器的接口。虽然最初由 Intel 设计，但 AMD 也在 Zen 系统上提供了兼容的接口。

准确性取决于实际的微架构。最初，RAPL 受到具有某些偏见的模型的支持。在 Haswell 架构之后的 Intel CPU 上，它基于相当准确的测量。据我所知，对于 AMD Zen RAPL 实现的准确性还没有很好的理解。

您必须考虑的一件重要事情是测量的范围。在大多数系统上，仅涵盖封装和 DRAM ¹。因此，如果您需要知道整个系统消耗了多少功率/能量 - 通常无法使用 RAPL 轻松回答。

另请注意，RAPL 每 1 毫秒更新一次，因此较短的工作负载会因更新速率而出现重大错误。

^{1 - Skylake Desktop 系统可以实现全系统 RAPL。它的准确性取决于制造商。}

Answer 2

该power/energy-cores/ perf计数器基于一个名为MSR的寄存器MSR_PP0_ENERGY_STATUS，该寄存器是Intel RAPL接口的一部分（Intel似乎将每个单独的RAPL MSR称为RAPL接口）。基于系统活动事件的复杂模型用于估计（静态和动态）能耗。MSR寄存器名称中带有PP0，它表示电源平面0，它是RAPL域之一，其中包含套接字的所有核心，包括核心的专用缓存。但是，PP0不包括最后一级的高速缓存，互连，内存控制器，图形处理器以及非核心中的所有其他内容。无法测量其准确性，MSR_PP0_ENERGY_STATUS因为没有其他方法只能估算电源平面0的能耗。

不过，可以测量其他RAPL域的准确性。这些包括Package，DRAM和PSys域。例如，可以通过与整个系统的能耗（可以使用电表测量）进行比较，并运行使包装外的所有组件的能耗保持已知的工作量，来测量“包装”域能耗估算的准确性尽可能恒定。的准确性MSR_PKG_ENERGY_STATUS和MSR_DRAM_ENERGY_STATUS已经在许多不同的处理器不同的方式由不同的人进行了测量。您可以参考最近发表的题为《行动中的RAPL：使用RAPL进行功率测量的经验》的论文有关更多信息，还包括以前的作品摘要。论文涵盖了桑迪桥，常春藤桥，哈斯韦尔和Skylake。结论是，MSR_PKG_ENERGY_STATUS和MSR_DRAM_ENERGY_STATUS似乎是准确的Haswell上和SKYLAKE微架构（的实现已经在Haswell的变化，请参见：英特尔的Haswell处理器的节能特性调查）。但这不一定适用于所有类型的工作负载，P状态和处理器。因此，精度不仅取决于微体系结构。

在英特尔手册第3卷的第14.9节中讨论了RAPL接口。我注意到该节中有错误。例如，它说客户端处理器不支持DRAM域，这是不正确的。我用来编写此答案的客户端Haswell处理器支持DRAM域。本节可能已过时，仅适用于Sandy Bridge和Ivy Bridge处理器。我认为最好阅读要使用RAPL的处理器的数据表。

所述power/energy-pkg/ perf计数器可用于测量包域的能量消耗。从Sandy Bridge开始，这是已知的所有Intel处理器都支持的唯一域。