SMAUG: Systemübergreifende Modellierung und optimierte Nutzung disruptiver Hauptspeichertechnologien

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Olaf Spinczyk
• Fachliche Zuordnung: Sicherheit und Verlässlichkeit, Betriebs-, Kommunikations- und verteilte Systeme
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 502565817

Hauptspeicher ist nach den Recheneinheiten das wichtigste Betriebsmittel in einem Rechnersystem, ohne das eine Datenverarbeitung de facto unmöglich wäre. Seit mehreren Jahrzehnten werden verschiedene Arten von RAM (“Random Access Memory”) als Hauptspeicher genutzt. RAM wurde technologisch fortentwickelt und bekam so größere Kapazitäten, niedrigere Zugriffslatenzen und größere Datenraten, doch die prinzipiellen Eigenschaften des Hauptspeichers blieben unverändert. Er ist traditionell homogen und byteweise adressierbar. Speicherinhalte sind flüchtig, d.h. sie gehen mit dem Abschalten verloren. Außerdem ist er passiv, d.h. er kann nicht selbstständig Daten verarbeiten. Mittlerweile sind diese typischen Eigenschaften in der Erwartung der Software-Entwickler fest verankert und manifestieren sich daher in deren Produkten. Wir beobachten nun eine Welle von Innovationen im Bereich der Speicher, die diese Annahmen widerlegen. In diesem Sinne sind sie für die komplette Software-Industrie und Informatik “disruptiv”. Beispiele dafür sind UPMEM PIM (“Near Memory Computing” / NMC: der Hauptspeicher wird aktiv) oder NVRAM (nicht flüchtig; spezielle Performance-Charakteristik). Hinzu kommen Techniken wie High-Bandwidth Memory (HBM) und extrem schnelle Netzwerke, die “Memory Disaggregation” oder direkte Speicherzugriffe über Rechnergrenzen (CXL, RDMA) erlauben. Zusammen genommen versprechen diese Innovationen Systeme mit höherer Verarbeitungsleistung, geringem Energieverbrauch, mehr Verlässlichkeit und Kostenreduktionen. Wie man aber all diese Möglichkeiten für künftige Anwendungs- und Systemsoftware bestmöglich nutzt, ist bisher weitgehend unklar – insbesondere, wenn mehrere Technologien kombiniert genutzt werden. Dieses Projekt soll hier Abhilfe schaffen. Nachdem in der ersten Phase Modelle für die neuartigen Hardwarekomponenten, die Topologie des Gesamtsystems und das Verhalten der Software entworfen wurden, sollen diese nun zur Entwicklung von optimierten Betriebsmittelverwaltungsstrategien genutzt werden. Mit ihrer Hilfe sollen Flaschenhälse, Unterauslastungen und Interferenzen zwischen Anwendungen in komplexen Systemen vermieden werden. Dazu erfolgt die Partitionierung der vorhandenen Betriebsmittel und die Platzierung der anwendungsspezifischen Kontrollflüsse und Daten konsequent auf Basis von Modellen. Ebenso sollen die Modelle durch Entwicklung geeigneter Kalibrierungsverfahren und durch Transferlernen leicht an Hardware- und Softwareänderungen angepasst werden können, um zeitaufwendige Datenerhebungskampagnen zu vermeiden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2377: Disruptive Hauptspeichertechnologien
• Mitverantwortlich(e): Dr. Birte Friesel