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COKE - Consistency Kernel - Software-Controlled Consistency and Coherency for Many-Core Architectures

Subject Area Security and Dependability, Operating-, Communication- and Distributed Systems
Term from 2012 to 2022
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 224615364
 
Final Report Year 2021

Final Report Abstract

Zentrales Ziel der ersten Phase des Coke-Projektes war die Untersuchung und Realisierung von Modellen für flexible dynamische Teilhaberschaften und den damit verbundenen Konsistenzerhaltungsmechanismen im Kontext von Vielkernprozessoren ohne kohärente Zwischenspeicher. In der zweiten Phase sollten diese Arbeiten fortgeführt und auf partitionierte globale Adressräume (partitioned global address spaces, PGAS) ausgedehnt werden. Dabei sollte verstärkt der erforderliche Energieverbrauch untersucht werden, da dieser nicht nur einen erheblichen Einfluss auf Umwelt- und Betriebskosten hat, sondern aufgrund der Abwärmeproblematik auch einen direkten Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Prozessors ausübt. Inspiriert waren die Arbeiten durch den seinerzeit vorhergesagten und von Intel mit dem MARC Programm initiierten Trend, dass in Zukunft Vielkernprozessoren mit hunderten von Kernen keine herkömmliche Kohärenz von Zwischenspeichern mehr vorsähen und daher das Problem der Teilhaberschaften mit replizierten Daten durch geeignete Systemsoftware gelöst werden müssen. Diese Annahme hat sich nicht bewahrheitet, die diesbezüglichen Prozessorlinien von Intel wurden komplett eingestellt, auch sonstige Vielkernarchitekturen blieben Exoten. Da auch die vorhandene experimentelle Hardware (Intel SCC) nicht mehr betreibbar war, wurde das Projekt auf allgemeine der Konsistenz dienenden Ereignispropagations- und Synchronisationsmechanismen für herkömmliche größere Systeme mit gemeinsamem Speicher refokussiert. Aufgrund des größeren allgemeinen Interesses wurden diese Mechanismen u.a. zusätzlich in einen Linux-Kern integriert, um sie anhand realer Konsistenzprobleme (u.a. TLB shootdown) evaluieren zu können. Die Propagationsmechanismen sind deutlich effizienter als die aktuell in Linux verwendeten, die Evaluation zeigte aber, dass der Anteil an der Gesamtlaufzeit der untersuchten Aktivitäten zu gering ist, um einen signifikanten Vorteil für Anwendungen zu erzielen. In Bezug auf die untersuchten Sysnchronisationsmechanismen haben sich jedoch sowohl die sperrenfreien Warteschlangen als auch die leichtgewichtige Nowa-Plattform gegenüber den existierenden Lösungen als überlegen erwiesen. Die Energieproblematik wurde nach der Refokussierung in einem allgemeineren Kontext gestellt als ursprünglich vorgesehen. Aus diesen Untersuchungen sind sowohl Werkzeuge zur statischen Energieverbrauchsanalyse als auch ein Rahmenwerk zur Energieverbrauchsmessung für heterogene Mehr- und Viellkernsysteme hervorgegangen. Insgesamt konnten trotz der ungünstigen Randbedingungen (thematische Refokussierung, Corona) unter Einbezug der themennahen Arbeiten 30 Abhandlungen publiziert werden.

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