Um den wachsenden Herausforderungen in Rechenzentren zu begegnen, hat sich ein internationales Team von Forscherinnen und Forschern im Rahmen des grössten Projekts für Computersysteme, das jemals an der EPFL durchgeführt wurde, eine neue Art der Computerentwicklung ausgedacht.
Wir alle kennen das Gefühl, zu viele Dinge gleichzeitig im Kopf zu haben, aber stellen Sie sich vor, was das für die Server in Rechenzentren bedeutet. Sehr oft muss ein und dieselbe Maschine gleichzeitig die Anforderungen vieler verschiedener Programme erfüllen, die von vielen verschiedenen Nutzerinnen und Nutzern angefordert werden.
Es gibt nicht nur eine Warteschlange für den verfügbaren Speicher des Servers, sondern auch Sicherheitskontrollen: Jede Anfrage muss sorgfältig bearbeitet werden, damit die Nutzerinnen und Nutzer nicht die Daten anderer sehen. Was ist das Ergebnis? Es kommt zu Überlastungen. Die Server laufen langsam und die Ressourcen werden nicht effizient genutzt.
Um dieses Problem zu lösen, stellte Babak Falsafi, ordentlicher Professor an der Fakultät für Informatik und Kommunikation, vor fünf Jahren ein internationales Team mit vielen Talenten zusammen, um Midgard zu entwickeln, einen neuen Ansatz für die Nutzung von virtuellem Speicher in aktuellen Betriebssystemen.
"Die traditionellen Prinzipien von Computersystemen zur Speicherverwaltung gehen auf die 1960er Jahre zurück", erklärt Babak Falsafi. Aber seit langem definiert Apple die Hardware und Software speziell für seine iPhones und Mac-Laptops und -Desktops neu. Das hätten die Leute, die für das Design von Servern in Rechenzentren zuständig sind, schon vor Jahren tun sollen. Die traditionellen Prinzipien von Computersystemen sind für die unglaublich hohen Anforderungen der heutigen Cloud-Dienste nicht geeignet."
Computerprogramme müssen wissen, wo sie ihre Berechnungen durchführen sollen. Virtueller Speicher ist die Art und Weise, wie der Computer ein Programm täuscht, indem er ihm vorgaukelt, dass es viel mehr Platz für Berechnungen hat, als es tatsächlich hat. Ausserdem wird der Speicherplatz unter den Programmen aufgeteilt, ohne dass diese es wissen. Es ist die Aufgabe des virtuellen Speichers, jedes Programm zu dem ihm zugewiesenen Platz zu leiten und Identitäts- und Zugriffskontrollen durchzuführen, wann immer der Platz genutzt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass sich die Programme nicht in die Quere kommen, aber es verlangsamt den Prozess auch.
Um die Serverleistung zu steigern, begann das Midgard-Team mit einer Überarbeitung des virtuellen Speichers. Es unterteilte den virtuellen Speicher so, dass Programme ihren Arbeitsbereich schnell finden können und die Hardware die Zugriffskontrollen mit wenig Verzögerung oder Energieaufwand durchführen kann.
Midgard kann Staus im virtuellen Speicher reduzieren und gleichzeitig die hohen Sicherheitsstandards, die ein Rechenzentrum erfordert, aufrechterhalten. Ausserdem ist es mit modernen Standards für die Softwareentwicklung (für Telefone, Laptops/Desktops und Server) kompatibel und transparent für Anwendungsentwicklerinnen und -entwickler.
Die Vorteile sind nicht nur eine schnellere Leistung, sondern auch ein viel höheres Mass an Effizienz, was eine Rolle in dem überaus wichtigen Kampf um die Reduzierung des CO2-Fussabdrucks von Rechenzentren spielt.
"In Rechenzentren ist der Speicher eine gemeinsam genutzte Hardwarekomponente und macht 50 % der Serverkosten aus, wobei seine Kapazität seit den späten 1960er Jahren um das Zwölffache gestiegen ist", betont Babak Falsafi.
Doch Server werden in Rechenzentren nicht immer effizient eingesetzt. Unabhängigen Berichten zufolge wird mehr als die Hälfte des Arbeitsspeichers, den Cloud-Anbieter an Kunden vermieten, nicht genutzt.
"Microsoft hat kürzlich berichtet, dass aufgrund der Art und Weise, wie sie Server an Cloud-Kunden vermieten, 20 % ihres Speichers blockiert (nicht vermietet) bleiben. Wir versuchen, Technologien zu entwickeln, die den Betreibern und ihren Kunden helfen, ihre Hardware effizienter zu nutzen", fährt er fort.
Während sich die fünfjährige Midgard-Initiative ihrem Ende nähert, kann sie auf eine Vielzahl von Veröffentlichungen, einen internen Demonstrator, der Gewinne in Grössenordnungen zeigt, eine Präsentation bei Intel und natürlich eine geplante Fortsetzung verweisen.
"Wir beschäftigen uns jetzt mit dem Rack-Scale-Computing", erklärt Babak Falsafi, "mit einer Reihe speziell entwickelter Server, die sich in einem Rechenzentrum wie ein einzelner Computer verhalten. Mit den neuen Netzwerkstrukturen, die ein ganzes Rack von Servern miteinander verbinden, können Cloud-Dienste die gesamte Hardware, nicht nur den Arbeitsspeicher, in Rechenzentren effizienter nutzen. Wir wollen mit dem, was wir in Midgard entdeckt haben, weiter voranschreiten und die bestmögliche Strategie zur besseren Nutzung der Hardware in zukünftigen Rechenzentren entwickeln. Das ist das Ziel, das uns antreibt."
Die wichtigsten Forscher in Midgard sind: Babak Falsafi, Mathias Payer und David Atienza, Kollegen vom EcoCloud-Zentrum der EPFL, sowie Abhishek Bhattacharjee von der Yale University und Boris Grot von der University of Edinburgh. Unterstützt wurden sie von Mitgliedern des Lehrkörpers und assoziierten Forscherinnen und Forschern der EPFL in der Schweiz und auf der ganzen Welt.
