ccFOSSIL: Sichere Cache-Kohärenz für disaggregierten Speicher

• Antragsteller: Dr.-Ing. Michael Roitzsch
• Fachliche Zuordnung: Sicherheit und Verlässlichkeit, Betriebs-, Kommunikations- und verteilte Systeme ; Rechnerarchitektur, eingebettete und massiv parallele Systeme
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 502457159

Das ccFOSSIL-Projekt baut auf zwei Beobachtungen aktueller Technologietrends auf: Erstens wurde Compute Express Link (CXL) als Nachfolgetechnologie zu NVM positioniert, oder allgemeiner, um verschiedene Arten von Beschleunigern oder Speichern mit Mehrwerteigenschaften mit einem Server zu verbinden. Zweitens hat die Prozessorhardware eine Komplexitätsstufe erreicht, auf der wir nicht mehr davon ausgehen können, dass der gesamten Hardware vertraut werden kann. Prozessorfehler wie Spectre und Meltdown läuteten eine neue Ära der Entdeckungen von Schwachstellen auf Hardware-Ebene ein. Kommende Systemarchitekturen in Rechenzentren verwenden CXL, um Rechengeräte mit großen Pools gemeinsam genutzter externer Speicher zu verbinden. Diese Pools verbessern die allgemeine Ressourcennutzung, indem sie es dem Rechenzentrumsbetreiber ermöglichen, einzelnen Servern dynamische Speicherstücke zuzuweisen. Dies ermöglicht es, den höheren Speicherbedarf eines Servers zu erfüllen, wenn ein anderer seinen Anteil nicht ausnutzt. Herkömmliches fest verdrahtetes DRAM innerhalb des Servers mit geringem Speicherbedarf könnte nicht so genutzt werden. CXL-basierte Speichersysteme weisen jedoch eine große Trusted Computing Base (TCB) auf, da im Wesentlichen allen Geräten im gesamten CXL-Netzwerk vertraut werden muss. Idealerweise sollte eine bestimmte Anwendung nur den CPUs, Speichern und Beschleunigern vertrauen, die sie tatsächlich verwendet, was zu einer kleinen TCB und einer starken Isolation zwischen Rechenzentrumskunden führt. Eine solche Isolierung verhindert, dass sich Angriffe, die von einem Kunden durchgeführt werden, über das gesamte CXL-Netzwerk ausbreiten können. Wir schlagen selektive Cache-Kohärenz als Lösung vor. Es erfordert Änderungen an der zugrunde liegenden Hardwarearchitektur, so dass der Cache-Kohärenzverkehr durch eine zusätzliche Hardwarekomponente gefiltert wird, die außerhalb von Speicherpool- und Prozessorimplementierungen liegt. Diese Komponente ist so konfiguriert, dass sie nur zwischen bestimmten Partnern und in bestimmten Adressfenstern den Kohärenzverkehr zulässt. Im Rahmen des ccFOSSIL-Projekts werden wir eine solche Komponente in der Mikrokern-basierten System-on-Chip-Architektur M³ entwerfen und implementieren. Wir werden das Ergebnis mit relevanten Rechenzentrums- und CXL-Workloads prototypisieren und auswerten.

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