Ce projet de recherche doctorale est en attente sélection par le directeur de thèse a été réalisé par Marc Shapiro

Description d'un projet de recherche doctoral

Vers une utilisation efficace de la mémoire non volatile pour l'économie d'énergie

Mots clés :

Résumé du projet de recherche (Langue 1)

Depuis une dizaine d'années, le gain en performance des processeurs est obtenu par l'accroissement du nombre de cœurs de calcul par processeur essentiellement pour des raisons énergétiques. La quantité de mémoire volatile (RAM) devrait normalement augmenter en proportion, mais cette mémoire est très coûteuse en énergie ce qui contraint à borner sa quantité. Les technologies de mémoire non-volatile (NVRAM) [1] sont désormais disponibles (par ex : Intel Optane [2]) et pour certaines largement diffusées, comme les mémoires flash. Ces technologies ont plusieurs propriétés intéressantes : elles consomment peu d'énergie, elles sont très denses, elles sont adressables et, évidemment, elles sont non-volatiles. En revanche, elles sont plus lentes que la RAM et pour certaines technologies, le nombre d'écritures par cellule est borné. Elles sont actuellement essentiellement utilisées en remplacement des disques, car elles sont plus compactes que les disques mécaniques, plus robustes et insensibles aux chocs. La question est pourquoi cantonner leur usage au disque, puisqu'elles sont adressables, très volumineuses et économes en énergie. La mémoire non volatile apporte à la fois de nouvelles problématiques de gestion de la mémoire persistante à adressage direct qui est imputable au système d’exploitation [3] et des problématiques sur la gestion de mémoire cache au niveau matériel ou système. Cette technologie offre donc de nouveaux axes de recherches innovant et très prometteurs sur les plans scientifique et technique. En effet la persistance de la NVRAM et sa rapidité d’accès par rapport à un disque classique a un très fort impact sur la façon de concevoir les systèmes d’exploitation [3] et les applications large-échelle qui hébergent de gros volumes de données en mémoire centrale [4, 5, 6, 7] comme la plate-forme Apache Spark [8]. De plus, la faible consommation énergétique de la NVRAM par rapport à une mémoire volatile classique aura une importance capitale dans le fonctionnement des appareils mobiles très contraints par l’autonomie de leur batterie.

Résumé du projet de recherche (Langue 2)

Ce sujet de thèse vise donc une étude qualitative et quantitative de l'usage des mémoires non-volatiles en remplacement de la RAM. Son originalité est d'aborder le problème d'un point de vue énergétique, en cherchant à optimiser le ratio performances/consommation. Plusieurs hypothèses de travail sont envisageables : (1) la RAM disparaît totalement, cette hypothèse suppose que la NVRAM est suffisamment rapide, dispose d'un accès aléatoire et que le nombre d'écritures possibles est illimité ; (2) la NVRAM devient aussi la mémoire physique, mais la RAM reste présente et devient un cache de très grande dimension. Dans les deux cas, l'espace d'adressage physique devient celui de la NVRAM. Après un état de l’art sur les mémoires non volatiles, le doctorant devra dans un premier temps proposer un modèle permettant d’évaluer le compromis performance/consommation des différentes configurations mémoire pour des workflows applicatifs donnés. Ce travail servira de base à la proposition de stratégies de redimensionnement de la RAM. Ces stratégies devront ensuite être évaluées expérimentalement en s’insérant dans le noyau Linux.

Informations complémentaires (Langue 1)

Stage doctorant à l'étranger encouragé. Le projet s'inscrit dans le cadre d'une proposition ANR Franco-Suisse.

Informations complémentaires (Langue 2)

[1] {A survey of architectural approaches for managing embedded DRAM and non­volatile on­chip caches}, S. Mittal, J. S. Vetter, and D.­J. Li. IEEE TPDS, 2014. [2] {Introducing Intel Optane Technology : Bringing 3D XPoint Memory to Storage and Memory Products}, Intel Corporation, Juillet 2015. [3] {Operating system implications of fast, cheap, non-volatile memory.} Katelin Bailey, Luis Ceze, Steven D Gribble, and Henry M Levy. HotOS, volume 13, pages 2–2, mai 2011. [4] {H-Store: a high-performance, distributed main memory transaction processing system}. Robert Kallman, Hideaki Kimura, Jonathan Natkins, Andrew Pavlo, Alexander Rasin, Stanley Zdonik, Evan PC Jones, Samuel Madden, Michael Stonebraker, Yang Zhang, et al. Proc. VLDB Endowment, 1(2):1496–1499, 2008. [5] {Hyper: A hybrid OLTP & OLAP main memory database system based on virtual memory snapshots}. Alfons Kemper and Thomas Neumann. Int. Conf. on Data Engineering, pages 195–206. IEEE, 2011. [6] {Oracle TimesTen: An in-memory database for enterprise applications.} Tirthankar Lahiri, Marie-Anne Neimat, and Steve Folkman. IEEE Data Eng. Bull. , 36(2):6–13, 2013. [7] {Sap Hana: The evolution from a modern main-memory data platform to an enterprise application platform.} Vishal Sikka, Franz F ̈arber, Anil Goel, and Wolfgang Lehner. Proc. VLDB Endowment, 6(11):1184–1185, 2013. [8] {Lightning-fast cluster computing}. Apache Spark; 2015, 2016