家用 All In One Nas 服务器的降低待机功耗指南

本文面向的群体为有一定基础的用户，主要目的在于如何在尽量不损失性能的前提下降低All In One服务器的待机功耗，而非All In One的具体配置教程

通过文中的方法，我将All In One服务器的待机功耗从70.2W降低到39W，降低幅度约为40%，每月可以节省约20度电

前言

All In One服务器的核心就三点：存储、虚拟机、Docker，对于普通家庭用户来说，还有另外三个要求：低成本、低功耗、高稳定度，因此，选择合适的硬件配置和底层系统就显得尤为重要。即使是All In One服务器，功能的解耦也相当重要，应尽量避免因单一功能故障导致的整体崩溃，专业的系统应当做专业的事，而不应该全部集中于某一系统。基于以上的观点，我选择了PVE作为All In One的底层系统，虚拟化Unraid作为Nas系统，硬件则是升级电脑退役下来的旧硬件。

为什么使用PVE而不直接使用Unraid作为底层？

常见的底层系统有：Esxi、PVE、Unraid

PVE是开源的虚拟化平台，与Unraid同样采用kvm虚拟化技术，可以为普通用户提供相比Unraid更高的自由度和更直观的虚拟机管理界面，其基于Debian也可以为用户提供更为广泛且适用的教程，比Esxi更简单易用，比Unraid更专业。且原生支持lxc，lxc是一种类似于Docker的容器技术，可以在服务器上实现更为轻量化的应用，相比虚拟机对资源的消耗低，相比Docker避免了对底层系统的污染，从而实现不错的稳定性。

为什么使用Unraid作为Nas系统？

常见的Nas系统有：黑群晖、Truenas、Unraid

Unraid将硬盘以非raid的形式向用户提供存储空间，这使得用户可以使用不同种类、不同容量的硬盘，同时也能保障数据的安全性，其非raid的存储形式和独有的缓存机制使得数据在读写时仅有部分硬盘工作，其它硬盘休眠，甚至可以实现日常状态下高功耗的HDD全部休眠，仅保留低功耗的SSD工作，在闲时将数据集中回写至HDD中，避免HDD长时间唤醒和短时间多次休眠，相比其它基于raid的Nas系统，可以在家庭场景下实现低成本和低功耗。

这里贴一个在 PVE 中创建 Unraid 虚拟机并使用虚拟磁盘启动 Unraid 虚拟机的方法

降低CPU功耗

与常见的使用低功耗CPU不同，我选择从软件上降低CPU的功耗，便于从旧硬件改造为All In One服务器。

另外，我也想在此吐槽选择所谓低功耗CPU这个观点，通常情况下同代CPU架构下，CPU的能效基本相同，而带T的低功耗CPU是通过限制TDP来降低功耗，选择低功耗CPU只会让你花更多的钱买到更低的性能。结尾的展示可以映证这一观点，Arm平台不在这次吐槽范围内。

1. 虚拟机配置

给虚拟机配置合适的资源(CPU、内存)，分配给虚拟机的资源不是越多越好，分配的更多资源会增大CPU的负载，可以先分配足够多的资源给虚拟机，再根据实际的占用情况进行缩减。尽量使用直通硬件(网卡、硬盘控制器)或半虚拟化硬件(virtio)，虚拟化硬件会增大CPU的负载。

尽量不要运行非Linux内核的系统(Windows、FreeBSD等)，虚拟化非Linux内核的系统会增加功耗。(或许是我装过的Windows 10和Truenas core都恰好消耗资源多?)

2024.8.28补充

确认了是Windows 10的问题，换了Windows Server 2019后功耗显著降低

2. 调节CPU频率策略

PVE默认的CPU频率策略为performance，即高性能模式，这是一种激进的频率策略，会让CPU尽量保持在高频运行。

查看CPU频率策略

# 查看支持的 CPU 电源模式
cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_available_governors

# 查看当前的 CPU 电源模式
cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_governor

# 为了调整频率策略，需要安装软件包
apt install cpufrequtils linux-cpupower

值得注意的是，新旧平台上使用的调频驱动不同，较新平台上使用的调频驱动为pstate，旧平台上使用的调频驱动cpufreq。

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# 查看调频驱动
root@pve:~# cpupower frequency-info | grep driver
  driver: intel_pstate

在这两种驱动下的频率策略不同，在pstate下可以选择的策略一般只有powersave和performance，建议选择powersave，在cpufreq下可以选择的策略一般有conservative、ondemand、userspace、powersave、performance、schedutil，建议选择schedutil或conservative。在pstate和cpufreq下的powersave并非同一种策略。

不建议新平台禁用pstate使用cpufreq驱动，故不在本文中提供方法。

临时调整策略

# 全核性能
cpupower frequency-set -g performance

# 全核省电
cpupower frequency-set -g powersave

# 0-15核开启性能
cpupower -c 0-15 frequency-set -g  performance

开机自动调整策略

# 配置默认策略
echo 'GOVERNOR=powersave' > /etc/default/cpufrequtils

# 开启自动调整
systemctl enable cpufrequtils

为不同核心配置不同的策略

我们可以将重要的虚拟机进行核心绑定，然后将其调整为performance以保证关键功能的流畅运行。

在虚拟机-硬件-处理器配置核心绑定

需要注意的是，应尽量让同一物理核上的逻辑核的调频策略一致，即将核心绑定在同一物理核上。

# 查看逻辑核对应的物理核
root@pve:~# lscpu -e
CPU NODE SOCKET CORE L1d:L1i:L2:L3 ONLINE    MAXMHZ   MINMHZ       MHZ
  0    0      0    0 0:0:0:0          yes 4800.0000 800.0000 4030.0720
  1    0      0    1 1:1:1:0          yes 4800.0000 800.0000 4294.3149
  2    0      0    2 2:2:2:0          yes 5000.0000 800.0000 4539.7510
  3    0      0    3 3:3:3:0          yes 5000.0000 800.0000 4313.2871
  4    0      0    4 4:4:4:0          yes 4800.0000 800.0000 4546.8701
  5    0      0    5 5:5:5:0          yes 4800.0000 800.0000 4561.5659
  6    0      0    6 6:6:6:0          yes 4800.0000 800.0000 4264.5469
  7    0      0    7 7:7:7:0          yes 4800.0000 800.0000 4258.8208
  8    0      0    0 0:0:0:0          yes 4800.0000 800.0000 1235.3180
  9    0      0    1 1:1:1:0          yes 4800.0000 800.0000 4535.1699
 10    0      0    2 2:2:2:0          yes 5000.0000 800.0000 4571.8179
 11    0      0    3 3:3:3:0          yes 5000.0000 800.0000 4601.3188
 12    0      0    4 4:4:4:0          yes 4800.0000 800.0000  800.0000
 13    0      0    5 5:5:5:0          yes 4800.0000 800.0000  800.0000
 14    0      0    6 6:6:6:0          yes 4800.0000 800.0000 4597.3101
 15    0      0    7 7:7:7:0          yes 4800.0000 800.0000 3713.7241

# 观察命令输出中CORE一列的ID
# 在上述例子中，CPU0和8是同一颗物理核，CPU1和9是同一颗物理核

调整部分核心的策略

1 2	# 将CPU7和15调整为性能模式 cpupower -c 7,15 frequency-set -g performance

自动调整虚拟机绑定核的策略

利用PVE的钩子脚本可以实现虚拟机开机时调整为性能模式，关机时调整为省电模式。

# 创建脚本
cat > /var/lib/vz/snippets/cpupower.sh << "EOF"
#!/bin/bash
vmid=$1
status=$2

cpupin=`qm config $vmid|grep affin|awk '{print $2}'`
echo $status
if [ "$status" == "pre-start" ];then
        cpupower -c $cpupin frequency-set -g performance
fi

if [ "$status" == "post-stop" ];then
        cpupower -c $cpupin frequency-set -g powersave
fi
EOF

# 赋予执行权限
chmod +x /var/lib/vz/snippets/cpupower.sh

# 给对应虚拟机设置钩子脚本
qm set 100 --hookscript local:snippets/cpupower.sh

有一个问题是不同虚拟机绑定同一核心时会产生影响。

3. 开启CPU的C状态支持

C状态是CPU的睡眠状态，可以使CPU在空闲时睡眠以降低功耗，主板BIOS一般默认开启了部分的C状态支持，进入BIOS可以开启更多的C状态支持，允许CPU进入更深的睡眠状态。需要注意的是，从更深的睡眠状态恢复需要更长时间，请酌情开启。

进入BIOS后，进入CPU配置，开启相关选项，一般位于高级-CPU配置内
重要！开启前请确认你的CPU是否支持对应选项

4. [可选] CPU降压

效果因人而异，能否降压取决于你的CPU和主板，自行研究。

降低周边设备功耗

周边设备的功耗在待机状态下占比相当大，这部分依然是通过软件调节功耗，我的理念是尽量利用旧硬件，因此硬件选择不在讨论范围内。

1. Unraid设置硬盘休眠和缓存盘

设置-磁盘设置 设置硬盘休眠

添加SSD作为缓存盘

设置常用共享目录优先写入缓存盘

设置-计划程序 设置移动器定时回写数据

2. 优化独显待机功耗

由于我的机器没有独显，这一段仅供参考

独立显卡会默认被PVE加载，可以通过在/etc/default/grub中的GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT加入如下参数来关闭显卡

1	video=vesafb:off video=efifb:off video=simplefb:off initcall_blacklist=sysfb_init

加入后我的GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT如下

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root@pve:~# cat /etc/default/grub | grep 'GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT'
GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT="quiet intel_iommu=on iommu=pt pcie_acs_override=downstream i915.enable_gvt=1 video=vesafb:off video=efifb:off video=simplefb:off initcall_blacklist=sysfb_init"

改完后执行update-grub更新一下配置文件，然后重启

3. 配置Linux的设备电源管理策略

Linux默认的设备电源管理策略比较奔放，不如Windows和Mac来的精细，不过可以通过命令调整
重要！ 脚本中的PCIE设备电源管理默认是注释掉的，因为某些PCIE设备设置电源管理后可能会导致虚拟机无法开机，请确认后再取消注释

# 创建脚本
cat > /var/lib/vz/snippets/device_powersave.sh << "EOF"
#!/bin/bash
set +e
vmid=$1
status=$2

echo $status
if [ "$status" == "pre-start" ];then
        # Intel核显电源管理
        echo auto | tee /sys/bus/i2c/devices/i2c-*/device/power/control
        # USB电源管理
        echo auto | tee /sys/bus/usb/devices/*/power/control
        # 硬盘电源管理
        echo auto | tee /sys/block/sd*/device/power/control
        echo auto | tee /sys/block/nvme*/device/power/control
fi
if [ "$status" == "post-start" ];then
        :
        # PCIE设备电源管理
        # echo auto | tee /sys/bus/pci/devices/????:??:??.?/power/control
        # echo auto | tee /sys/bus/pci/devices/????:??:??.?/ata*/power/control
fi
set -e
EOF

# 赋予执行权限
chmod +x /var/lib/vz/snippets/device_powersave.sh

给启动顺序中第一个使用到直通设备的虚拟机设置钩子脚本，比如我的是Unraid，这样就会在虚拟机占用设备之前完成设置

1	qm set 105 --hookscript local:snippets/device_powersave.sh

4. 开启PCI Express Native Control和PCIE ASPM Support

开启可提升PCIE设备在操作系统中的节能性能，一般位于主板BIOS的高级-芯片组配置内

5. 开启SATA主动式链接电源管理

允许SATA设备在不活动期间进入低能耗以达到节能目的，一般位于高级-存储配置内

成果展示

调整前整机功耗70.2W，CPU功耗18W，调整后整机功耗39W，CPU功耗12W，受限于UPS电源的功耗测量精度，整机功耗误差为±3.9W，降低幅度约为40%，每月可以节省约20度电

调整前
调整后

硬件配置

只罗列了与功耗相关的部分

CPU	i9-11900K ES QV1K
主板	华擎Z590M-ITX/ax
内存	金百达银爵DDR4 16G×2 3200MHz
网卡	Intel I219V(板载)
	RTL8125BG(板载)
	Mellanox MCX4121A
硬盘	傲腾900P 280G
	三星PM9A1 512G
	希捷ST4000VX015 4T×4
风扇	4090风扇改12018 ×2
	利民TL-8015W
	利民TL-B8W
电源	Tt钢影SFX 550W

运行的虚拟机&容器

虚拟机	OpenWrt
	Unraid
	Ubuntu 服务器
	黑群晖(嵌套于Unraid内)
	Clear Linux 测试机
容器	Ubuntu Docker 环境隔离
	Alpine SSH 跳板机
	Alpine Web 跳板机
	Debian Minecraft 服务器

2024.8.25补充

智能插座统计的一天下来UPS+AIO的总功耗，AIO有约100GB的文件写入到机械硬盘

参考文章

功耗节能 - 国光的 PVE 环境搭建教程
 佛西博客 - Proxmox VE 调节cpu频率
 Unraid NAS怎么省电
 华擎Z590M-ITX/ax BIOS 设定指南