Memento: Energieeffiziente Speicherplatzierung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Timo Hönig; Professor Dr. Andreas Polze
• Fachliche Zuordnung: Sicherheit und Verlässlichkeit, Betriebs-, Kommunikations- und verteilte Systeme
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 502228341

Die fortschreitende Entwicklung von byteaddressierbarem nichtflüchtigem Hauptspeicher (NVM), High Bandwidth Memory (HBM) und Compute Express Link (CXL) hat in jüngster Zeit mehrere Speichertechnologien und neue Hochgeschwindigkeitsverbindungen zwischen Computerspeichern als ernsthafte Alternativen zu herkömmlichen Speichertechnologien und -anbindungen etabliert. Erstmals sind Systemarchitekturen realisierbar, die heterogene Speichertypen innerhalb eines Computersystems nutzen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten, neben der Systemperformance auch nicht-funktionale Systemeigenschaften wie Leistungsaufnahme, Energiebedarf und CO2-Fußabdruck gezielt zu verbessern. Um diese Ziele zu erreichen, müssen allerdings die Systemsoftware und Programmiermodelle auf der Softwareebene aufholen und angepasst werden. Das Memento-Projekt hat sich zum Ziel gesetzt, den aktuellen Stand der Forschung in diesem Bereich voranzutreiben, indem die Speicherverteilungsstrategien des Betriebssystems im Hinblick auf neue, heterogene Speichertechnologien und -anbindungen erweitert werden, um den neuen Anforderungen der Hardware auch in der Systemsoftware gerecht zu werden. Das Projekt verfolgt in seiner Fortsetzung den Memory-Governor-Ansatz und erweitert diesen auf Basis der in der ersten Projektphase erzielten Ergebnisse. Im Vordergrund stehen hierbei die Erweiterung des Memory Governors als zentralen Komponente: Zur verbesserten Abbildung der Anwendungen mit unterschiedlichen Speicherzugriffsmustern entwirft und entwickelt Memento ein softwarebasiertes Getriebe (engl. gearbox), das zur Laufzeit anwendungsspezifische Systemeinstellungen in Abhängigkeit von den getroffenen Speicherzuweisungen des Memory Governor vornimmt. Insbesondere die dynamische Ermittlung von Speicherzugriffsmustern zur Laufzeit muss zwingend mit einer geringen Zusatzlast für das Computersystem, damit möglichst \glqq geräuscharm\grqq{} und ohne implizite Erzeugung von Hintergrundrauschen im Betriebssystem einhergehen. Zu diesem Zweck entwickelt Memento eine hardwareunterstützte Assistenzeinheit für die Nachvollziehbarkeit von Speicherzugriffen. Orthogonal zu diesen funktionalen Erweiterungen im Projekt steht in der zweiten Projektphase die Erweiterung des Memento Memory Governors zur gezielten Reduzierung des CO2-Fußabdrucks im Mittelpunkt der Forschungsarbeiten, der die energieeffizienten Speicherplatzierungsentscheidungen ermöglicht. Die Erweiterungen führen potenziell zu Schwachstellen in der Systemsoftware, da durch die enge Verzahnung von Anwendungen und Betriebssystem das Verhalten des Betriebssystems von Userspace-Prozesse gezielt beeinflusst wird. Um dem entgegenzuwirken, sieht Memento ein betriebssystembasiertes Schutzkonzept vor, das potenzielle Angriffspunkte proaktiv mitigiert. Ein umfassender Vorher-Nachher-Vergleich evaluiert die Projektergebnisse mit verfügbaren und neu veröffentlichten Speichertechnologien (z.B. CXL) und vergleicht diese mit traditionellen Systemen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2377: Disruptive Hauptspeichertechnologien