Stromausfallbewusster byteadressierbarer virtueller nichtflüchtiger Speicher (PAVE)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jörg Nolte; Professor Dr.-Ing. Wolfgang Schröder-Preikschat
• Fachliche Zuordnung: Datenmanagement, datenintensive Systeme, Informatik-Methoden in der Wirtschaftsinformatik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 501993201

Subsysteme für virtuellen Speicher (VM) lassen die Unterschiede zwischen Sekundär- und Hauptspeicher verschwimmen, so dass auf flüchtige und nicht-flüchtige Daten gleichermaßen mit denselben CPU-Instruktionen zugegriffen werden kann.Jedes VM-Subsystem versucht, häufig benötigte Daten in schnellem, flüchtigen Hauptspeicher zu halten, um die hohe Zugriffslatenz des Sekundärspeichers zu vermeiden, unabhängig davon, ob die Daten selbst flüchtig sind oder nicht. Das Aufkommen von byte-adressierbarem NVRAM ändert dieses Muster nicht grundlegend,da diese Technologie aufgrund der höheren Zugriffslatenz derzeit weder DRAM als schnellen Hauptspeicher,noch herkömmlichen Sekundärspeicher aufgrund der höheren Kosten und geringeren Kapazität,ersetzen kann.Daher sollten VM-Subsysteme NVRAM-gewahr gemacht und so erweitert werden, dass alle verfügbaren byte-adressierbaren Speichertechnologien gemäß ihrer jeweiligen Stärken eingesetzt werden können.Mit Hilfe einer in der virtuellen Speicherverwaltung des Betriebssystemsverankerten Abstraktion lässt sich erreichen, dass bestehende Software ohneweitere Änderung von NVRAM profitieren kann.Dadurch, dass VM-Subsysteme hochkomplexe und fein abgestimmte Softwaresystemesind, die teils seit Jahrzehnten immer weiter entwickelt werden, folgen wireinem minimal-invasivem Ansatz, um NVRAM-Unterstützung in ein bereits existierendes VM-Subsystem zu integrieren, anstatt eines von Grund auf neu zu entwickeln.NVRAM soll als unmittelbarer DRAM-Ersatz bei Speicherknappheit dienen, umProzesse mit großem Speicherbedarf auch bei Ressourcenknappheit lauffähig zu halten.Jedoch müssen aufgrund der höheren NVRAM-Zugriffslatenz auch nicht-flüchtige Daten zeitweise im schnellen, aber flüchtigen DRAM oder in Prozessorcaches bewahrt werden.Unser neues VM-Subsystem - wir passen FreeBSD entsprechend an - ermöglichtdeshalb die Wanderung von Seiten zwischen DRAM und NVRAM, sofern es die verfügbaren Ressourcen erlauben.Somit wird DRAM gewissermaßen als ein großer, durch Software verwalteter, flüchtiger Cache für NVRAM genutzt.Daraus ergibt sich in der Folge das Problem von möglichem Datenverlust im Falle eines Stromausfalls.Das VM-Subsystem muss daher seine eigenen Metadaten in einem konsistenten undwiederherstellbaren Zustand halten und in einem solchen Fall modifizierteSeiten aus dem DRAM im NVRAM persistieren, um Datenverluste zu vermeiden.Ersteres erfordert einen hochgradig effizienten transaktionalen Mechanismus zur Veränderungen von komplexen und parallel genutzen Datenstrukturen, die für die VM-Metadaten zum Einsatz kommen.Letzteres hingegen bedeutet, dass unter Umständen große Mengen an modifizierten Seiten mit einem eng begrenzten Restenergie- und Zeitfenster gesichert werden müssen.

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