Nichtflüchtigkeit in energiebewussten Betriebssystemen

Nichtflüchtigkeit in energiebewussten Betriebssystemen

(Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

Titel des Gesamtprojektes:
Projektleitung: Wolfgang Schröder-Preikschat, Thomas Preisner
Projektbeteiligte:
Projektstart: 1. Januar 2022
Projektende:
Akronym: NEON
Mittelgeber: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
URL: https://sys.cs.fau.de/en/research/neon-note

Abstract

Der gegenwärtige Trend hin zu schnellem, byteadressierbarem nichtflüchtigem Hauptspeicher (non-volatile memory, NVM) mit Latenzen und einer Schreibfestigkeit näher an SRAM und DRAM als an Flash positioniert NVM als möglichen Ersatz für die etablierten flüchtigen Technologien. Während einerseits die Nichtflüchtigkeit und geringe Leckleistung NVM, neben weiteren vorteilhaften Merkmalen, zum attraktiven Kandidaten für neue Systementwürfe macht, ergeben sich andererseits auch große Herausforderungen insbesondere für die Programmierung solcher Systeme. So bewirken etwa Stromausfälle in Kombination mit NVM zum Schutz des Rechenzustands Kontrollflüsse, die einen sequentiellen Prozess unerwartet in einen nichtsequentiellen Prozess verwandeln können: Ein Programm muss sich mit seinem eigenen Zustand aus früheren unterbrochenen Läufen auseinandersetzen.

Wenn Programme direkt im NVM zur Ausführung kommen können, wird normaler flüchtiger Hauptspeicher (funktional) überflüssig. Flüchtiger Speicher findet sich dann ausschließlich im Cache und in Geräte-/Prozessoregistern ("NVM-pure"). Ein darauf ausgelegtes Betriebssystem kann auf viele, wenn nicht sämtliche, für gewöhnlich sonst zu realisierende Persistenzmaßnahmen verzichten und dadurch sein Maß an Hintergrundrauschen (background noise) verringern. Im Einzelnen betrachtet lassen sich so der Energiebedarf senken, die Rechenleistung erhöhen und Latenzen verringern. Des Weiteren ist durch den Wegfall oder Vereinfachung dieser Persistenzmaßnahmen ein "NVM-pure" Betriebssystem schlanker als sein funktional identischer Zwilling herkömmlicher Bauart. Dies trägt einerseits zur besseren Analysierbarkeit nichtfunktionaler Eigenschaften des Betriebssystems bei und ergibt andererseits eine kleinere Angriffsoberfläche beziehungsweise vertrauenswürdige Rechenbasis.

Das Projekt verfolgt einen "NVM-pure" Ansatz. Dabei resultiert ein drohender Stromausfall in einer Unterbrechungsanforderung (power- failure interrupt, PFI), mit der Folge, einen Fixpunkt (checkpoint) des unvermeidbaren volatilen Systemzustands zu erstellen. Zusätzlich werden, um mögliche PFI-Verluste zu tolerieren, sensitive Betriebssystemdatenstrukturen in transaktionaler Weise analog zu Methoden der nichtblockierenden Synchronisation abgesichert. Des Weiteren werden Methoden der statischen Programmanalyse genutzt, um (1) das Betriebssystem von überflüssigen Persistenzmaßnahmen, die sonst nur noch Hintergrundrauschen erzeugen, zu entschlacken, (2) ununterbrechbare Anweisungsfolgen mit zu hohen Unterbrechungslatenzen, die die PFI-basierte Fixpunktsicherung scheitern lassen können, aufzubrechen und (3) die Arbeitsbereiche der dynamischen Analyse des Energiebedarfs zu definieren. Zur Demonstration, dass ein "NVM-pure" Betriebssystem gegenüber seinem funktional gleichen herkömmlichen Zwilling sowohl in zeitlichen als auch energetischen Belangen effizienter operieren kann, laufen die Arbeiten beispielhaft mit Linux.

Publikationen

• Heinloth B., Wägemann P., Schröder-Preikschat W.:
  Luci: Loader-based Dynamic Software Updates for Off-the-shelf Shared Objects
  2023 USENIX Annual Technical Conference (Boston, MA, 10. Juli 2023 - 12. Juli 2023)
  In: 2023 USENIX Annual Technical Conference (USENIX ATC 23) 2023
  Open Access: https://www.usenix.org/system/files/atc23-heinloth.pdf
  URL: https://www.usenix.org/system/files/atc23-heinloth.pdf
• Rabenstein J., Nguyen DT., Giersch O., Eichler C., Hönig T., Nolte J., Schröder-Preikschat W.:
  On the Performance of NVRAM-based Operating Systems: A Case Study with Linux and FreeBSD
  (2023)
  ISSN: 2191-5008
  DOI: 10.25593/issn.2191-5008/CS-2023-01
• Schröder-Preikschat W., Hönig T.:
  On energy awareness in NVRAM-based operating systems – NEON and PAVE
  In: Schloss Dagstuhl -- Leibniz-Zentrum für Informatik (Hrsg.): Power and Energy-Aware Computing on Heterogeneous Systems (PEACHES), 2023, S. 43-44 (Dagstuhl Reports, Bd.Dagstuhl Seminar 22341)
  DOI: 10.4230/DagRep.12.8.31
• Rabenstein J., Nguyen DT., Giersch O., Eichler C., Hönig T., Nolte J., Schröder-Preikschat W.:
  Back to the Core-Memory Age: Running Operating Systems in NVRAM only
  Architecture of Computing Systems. ARCS 2023 (Athen, 13. Juni 2023 - 15. Juni 2023)
  In: Georgios Goumas, Sven Tomforde, Jürgen Brehm, Stefan Wildermann, Thilo Pionteck (Hrsg.): Lecture Notes in Computer Science 2023
  DOI: 10.1007/978-3-031-42785-5_11
• Ott M., Raffeck P., Sieh V., Schröder-Preikschat W.:
  Towards Just-In-Time Compiling of Operating Systems
  12th Workshop on Programming Languages and Operating Systems (PLOS 2023)
  DOI: 10.1145/3623759.3624551