PIMcoDB: Rechner- und Datenverarbeitungsarchitekturen für hauptrechner-zentrierte datennahe Operationsausführung auf hybriden Speichertechnologien

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Koch; Professor Dr.-Ing. Ilia Petrov
• Fachliche Zuordnung: Rechnerarchitektur, eingebettete und massiv parallele Systeme ; Datenmanagement, datenintensive Systeme, Informatik-Methoden in der Wirtschaftsinformatik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 566307757

Dank fortgeschrittener Halbleitertechnologien ist es heutzutage wirtschaftlich geworden, Kombinationen von modernem heterogenem 3D-Halbleiterspeicher und leistungsstarken Recheneinheiten auf dem gleichen integrierten Baustein zu fertigen und dadurch „intelligente“ Speichersysteme zu realisieren. In Zeiten exponentiellen Datenwachstums werden immer weniger die Berechnungen, sondern vielmehr die Datentransfers zu einem limitierenden Faktor, da sie oft blockierender Natur sind, häufig auftreten, und die Skalierbarkeit einschränken. Bisherige Lösungsansätze basieren aber auf Architekturen, die die Daten vom Speicherort zu einer Verarbeitungseinheit und ggf. Ergebnisse auch wieder zurück transportieren. Diese Vorgehensweise kostet nicht nur Zeit, sondern hat zunehmend auch einen bemerkbaren Energieaufwand. Der vorliegende Projektantrag zielt darauf ab, die ganzheitlichen Auswirkungen der Datenverarbeitung im/nahe an einem heterogenen Speicher (Programming-In-Memory) auf moderne Rechnerarchitekturen sowie auf dem gesamten Software-Stack zu untersuchen. Diese „intelligenten“ Speicher werden durch die 3D-Stapelmöglichkeiten moderner Chip-Fertigungsverfahren realisiert und kombinieren flüchtige, nicht-flüchtige oder hybride Speichertechnologien mit anwendungsspezifischen flexibel programmierbaren sowie hocheffizienten festverdrahteten Recheneinheiten. Einer der Schwerpunkte der Forschungen wir dabei die Skalierung der Konzepte über den aktuellen Stand der Technik (z.B. den Ansatz der Fa. UPMEM oder Samsung) hinaus. Zu diesem Zweck werden geeignete Kommunikationstopologien und -mechanismen auf den Chip-, DIMM- und Host-Ebenen untersucht, die auch in den engen Kosten- und Energiebudgets großer Speichersysteme realisierbar sind. Wir beabsichtigen, folgende Forschungsaspekte zu untersuchen: (1) Was ist der Einfluss von PIM auf die Rechner- und Datensystemarchitekturen im hauptrechner-einsatz (host-PIM), indem ausschließlich PIM-fähige Speicher, die eine massive Zahl von Rechenressourcen mit sich bringen. (2) Welchen Einfluss haben PIM-fähige Speicher auf neuartige hoch-skalierbare und nicht cache-kohärente Rechnerarchitekturen (host-PIM)? (3) Welche Architekturen eignen sich für neuartige daten-zentrierte, post-Moore Datensystemen, die PIM als integraler Bestandteil einsetzen, und neuartige Ansätze unterstützen, die lesende PIM-Operationen mit Konsistenzgarantien in nCC-Systemen bei gleichzeitigen Host-CPU-seitigen Aktualisierungen unterstützen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen