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![（歴史的）不不揮発メモリ
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A 32 x 32 core memory
plane storing 1024 bits
of data [Wikipedia]
A drum memory of Polish
ZAM-‐‑‒41 computer [Wikipedia]
→コアダンプの由来
→/dev/drum
（スワップデバイス）の由来](https://image.slidesharecdn.com/random-141211012357-conversion-gate01/75/OS-17-2048.jpg)
![関連研究
• ファイルシステム
– Unioning of the buffer cache and journaling layers
[FAST13]
– Byte addressable file system (BPFS) [SOSP09]
• ストレージ
– Whole-‐‑‒system persistence [ASPLOS12]
– NV-‐‑‒Heap [ASPLOSS11]
– Mnemosyne [ASPLOS11]
• プロセスの永続化
– NV-‐‑‒Process [APSys12]
• Linux kernel
– Block I/F: NVMeドライバ
– Memory I/F: PMFS、DAX
24](https://image.slidesharecdn.com/random-141211012357-conversion-gate01/75/OS-26-2048.jpg)
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不揮発メモリとOS研究にまつわる何か
- 1. 不不揮発メモリとOS研究にまつわる何か 産業技術総合研究所 情報技術研究部⾨門 ⾼高野 了了成 1 2014/12/11 ビッグデータ基盤勉強会@NTT武蔵野研究開発センタ
- 2. ポジショントーク（１） 計算機アーキテクチャの進化≒メモリ技術の進化 Ꮫ165@ᮾ – 仮想記憶： メモリが沢⼭山欲しい – キャッシュ：メモリを早くしたい – ストレージクラスメモリ 2 SCMRequirement ExpectedFuture SRAM NANDFlash HDD 5ns 50ns 1ms 10ms DRAM SCM z SCMismainapplicationtechnologies z SCMRequirement z Performance BetweenDRAMandz Density(bitcost) BetweenDRAMandIn2015, bits 4G 128G メモリ階層の深化
- 3. ポジショントーク（２） • 次世代（不不揮発）メモリは計算機アーキテクチャ、 特にシステムソフトウェアに変⾰革をもたらすか？ – 「Yes!!」（と思いたい） – 可能性は未知数 • 特性の異異なるメモリをどう使いこなすかが課題 – ユニバーサルメモリは幻想？ • 本研究会への期待 – ビッグデータ処理理系、アーキテクチャの研究者との ディスカッション・コラボレーション 3
- 4. 発表の流流れ • 産総研IMPULSEプロジェクトの紹介 • 不不揮発メモリを活⽤用したOS研究（始めました） 4
- 5. 5 Architecture Front-EndCluster Web 250 racks Ads 30 racks Cache (~144TB) Multifeed 9 racks Other small services Five Standard Servers Service Cluster Back-End Cluster Search Photos Msg Others UDB ADS-DB Tao Leader “Flash at Facebook”, Flash Summit 2013 Standard Systems I Web III Database IV Hadoop V Photos VI Feed CPU High 2xE5*2670 High 2xE5*2660 High Low High 2xE5*2660 2xE5*2660 Memory Low High 144GB Medium 64GB Low High 144GB Disk Low HighIOPS 3.2TBFlash High 15x4TBSATA High 15x4TBSATA Medium Services Web,Chat Database Hadoop (bigdata) Photos,Video MulPfeed, Search,Ads
- 6. Open Compute Project 6 • コモディティ製品の利利⽤用から、ユーザ主導の設計へ • 2011年年4⽉月に⽶米フェイスブックが、同社データセンター におけるサーバや設備の仕様をオープンソース化 • ⼤大規模データセンターの集積度度や省省エネルギー性の向上 – Industry Standard: 1.9 PUE – Open Compute Project: 1.07 PUE • サーバ、ストレージ、ラック、ネット ワークスイッチ、データセンター設計 などに関する仕様が公開 • 製品化の開始：Quanta Rackgo X, GIGABYTE DataCenter Solution Open Compute Rack v2（右図）
- 7.
- 8. HP “The Machine” 8 ⽤用途特化型コア ＋ （SoC） ユニバーサル フォトニクス ＋ メモリプール （＋ファブリック）
- 9. ここ⼀一年年近くの動向まとめ • 皆同じようなことを考えている – Open Compute Project (Facebookなど) – Rack Scale Computing (Intel) – Extremely Shrinking Computing (IBM) – The Machine (HP) – FireBox (UCB) – CTR Consortium (MIT) • 基本アイデアは３つの組み合わせ – パワフルなノード（計算機、メモリ、ストレージ） – 超広帯域光インターコネクト – 光スイッチによるネットワーク • ただし、コンセプト先⾏行行で、皆、絵に描いた餅の状態 9
- 10. ⾼高電⼒力力効率率率⼤大規模データ処理理イニシアチブ（IMPULSE） 超省省電⼒力力で超⾼高性能な⾰革新的データ処理理により 書き換え電⼒力力1/100 ・・・ 不不揮発メモリ ・・・ Optical Network Future data center 省省電⼒力力ロジック・ シミュレーション 0.4V動作三次元ロジック NVRAM 光ネットワーク Logic I/O NVRAM Logic I/O NVRAM Logic I/O ×
- 11. Separated packages 2.5Dstacked package 3D stacked package データセンター㻻㻿 データフロープランニング資源モニタリング・管理理 2014 2020 2030
- 12. 動作電⼒力力 1/1000 ⼤大規模データ活⽤用技術開発を主導 10 アーキテクチャ サーバモジュール 光ネットワーク ストレージ
- 13. 11 㟁ᅽ㥑ືᆺⓎᛶ☢Ẽ䝯䝰䝸 ●電圧による新しい低消費電力スピン制御技術を開発 ●従来の電流駆動型と比較して1/100以下の低消費電力化が可能 ●超低消費電力駆動な不揮発性磁気メモリの実現に貢献 電子が有する電荷とスピンの２つの自由度を同時に活用する 新しいエレクトロニクスデバイスの創製 応用デバイス例 MgO-MTJ MgO磁気トンネル 接合(MTJ)素子 MgO-MTJ 高感度磁気ヘッド 不揮発性固体磁気メモリ 現状 本プロジェクトのターゲット スピンの制御に大きな電流が必要 電圧駆動型へ スピントルク型 1996年 ～ Slonczewski, berger 電流磁界型 1820年 ～ Oersted 20 nm スピントロニクスの応⽤用 電圧駆動型不不揮発性磁気メモリ スピンの向きを電圧印加により操作
- 14. ḟୡ௦䝕䞊䝍䝉䞁䝍䞊ෆග䝛䝑䝖䝽䞊䜽 ●シリコンフォトニクスによる大規模クラスタースイッチを開発 ●波長多重・多値変調によるエラスティック光インターコネクト実証 ●3-4桁小さなエネルギーで動作するビッグデータ時代の光ネットワークを実現 䝕䞊䝍䝉䞁䝍䞊䞉䝃䞊䝞䞊䝷䝑䜽 䝅䝸䝁䞁䝣䜷䝖䝙䜽䝇䞉 Ἴ㛗ከ㔜䞉ከ್ኚㄪ 䜽䝷䝇䝍䞊䝇䜲䝑䝏 ග䜲䞁䝍䞊䝁䝛䜽䝖 DSP Comb Tx Rx source Memory cube CPU /GPU 2.5D-CPU䜹䞊䝗 変調器波長合波器 ග䝇䜲䝑䝏䞉䝏䝑䝥 ⌧≧㟁Ẽ䝇䜲䝑䝏ᐜ㔞䠖 䡚㻝㻟㻜㼀㼎㼜㼟 䊼 䡚㻡㻜㻜㻼㼎㼜㼟䜈 Ἴ㛗ᩘ ከ್ᗘ ⥲ᖏᇦ 1 1 20 Gbps 4 8 640 Gbps 32 8 5.12 Tbps 波長分波器 波長バンク （非線形光コム） ・・・ 光ファイバ シリコンフォトニクス集積 Ø Ἴ㛗䝞䞁䜽ከ㔜᪉ᘧ䛸ከ್ኚㄪ䛻䜘䜚䚸ᖏᇦ䛜ఙ⦰⮬ᅾ䚷 Ø 䝅䝸䝁䞁䝣䜷䝖䝙䜽䝇䛻䜘䜛㉸ ᑠᆺ䞉つᶍ㞟✚ Ø 䜰䝰䝹䝣䜯䝇䝅䝸䝁䞁 䠏ḟඖග㓄⥺ Ø 䝃䞊䝞䜰䞊䜻䝔䜽䝏䝱 ⌧≧䛿䚸䝣䜯䜲䝞䛒䛯䜚 㻝㻜㻜㻳㼎㼜㼟 䊼 䡚㻌㻡㻚㻝㻞㼀㼎㼜㼟䜈 㻝㻞 ⌧ᅾ䚸FSᐇ୰
- 15. 13 AISTʼ’s dataflowcentric architecture DPC (GPU+ mem) Network Warehouse scale infrastructure DPC (Storage + proc) DPC (Storage + proc) DPC (Storage ) DPC (Storage) DPC (Storage) DPC (spec. HW +mem) DPC (spec. HW +mem) DPC (Proce ssor) DPC (Proce ssor) DFOS DPF 1 DPF 3 (Data archive) DPF 2 DPC: Data Processing Component DPF: Data Processing Function DFOS: Data Flow Operating System
- 16. シンポジウム開催予告 • 産総研STARシンポジウム「⼤大規模データ処理理を 実現する超省省電⼒力力ハードウェアの将来像」 • 開催概要 – ⽇日時：2015年年1⽉月26⽇日（⽉月）10:00〜～17:30 – 場所：コクヨホール（品川） – 主催：（独）産業技術総合研究所／⽇日本を元気にす る産業技術会議 – 後援：⽇日本経済新聞社 – 参加費：無料料 – 定員：300名 – URL：https://unit.aist.go.jp/raipl/star/impulse/sympo.html 14
- 17. （歴史的）不不揮発メモリ 15 A32 x 32 core memory plane storing 1024 bits of data [Wikipedia] A drum memory of Polish ZAM-‐‑‒41 computer [Wikipedia] →コアダンプの由来 →/dev/drum （スワップデバイス）の由来
- 18. （次世代）不不揮発メモリ • 相変化メモリ（PCM） – 加熱によって結晶状態（低抵抗状態）と⾮非結晶状態 （⾼高抵抗状態）を制御 • 抵抗変化メモリ（ReRAM） – 電圧パルスの印加によって電気抵抗を制御 • 磁気抵抗メモリ（MRAM） – 磁化⽅方向の違いを電気抵抗に変換 • スピン注⼊入メモリ（STT-‐‑‒MRAM） – MRAMの⼀一種。スピンにより磁化反転 16
- 19. 不不揮発メモリ 17 アモルファス ⾼高抵抗 PCMSTT-‐‑‒MRAM 結晶 低抵抗 磁化が反平⾏行行 ⾼高抵抗 磁化が平⾏行行 低抵抗 加熱 ReRAM 還元 ⾦金金属酸化物セット状態 酸化 リセット状態
- 20. “RRAM Opportunity forHigh density memory application”, S. Chung@SK hynix, Flash memory summit 2014. 2013 FMS, RRAM session 18 RRAM Potentials ƒ Requirements for SCM • Non-volatile, byte accessible • High capacity + Short latency + Wide B/W @ moderate power ƒ ReRAM is a good candidate • Smaller power consumption than PRAM (I_reset 1/3) • Cross Point Array (XPA) + Multi-Level Stacking (MLS) Flash Memory Summit 2014 Santa Clara, CA 4
- 21. “Prospect for NewMemory Technology”, S. W. Park@SK hynix, Flash memory summit 2012. Drop in Replacement ▶ Compatible Interface with Conventional Memory (DDRx / LPDDRx) Cost Power (vs. DRAM) ▶ Cost Down No Refresh-Power (Scalability Non-Volatile) Reliability Performance (vs. NAND) ▶ Implement Native High IOPS (Byte Operation, Better than NAND Reliability) 10 SCM DRAM (Cost, Power) *) New memory technology should meet at least one of requirements Reliability Performance Density New Memory : Requirements DRAM (Cost, Power) NAND (Reliability) 19
- 22. 計算機アーキテクチャと 不不揮発メモリ 20 CPU NVRAMDRAM CPU NVRAM DRAM CPU NVRAM (A) Replace disk(B) Shared address space(C) Entirely NVRAM ※EverspinのSTT-‐‑‒MRAMはDDR3互換 インタフェースで接続
- 23. Storage Class Memory(1) Phillip Mills (IBM), “Storage Class Memory – the Future of Solid State Storage,” SNIA 2009 21 12 SCMRequirement Ꮫ165 @ᮾ ExpectedFuture SRAM NANDFlash HDD 5ns 50ns 1ms 10ms DRAM SCM z SCMismainapplicationforReRAM technologies z SCMRequirement z Performance BetweenDRAMandNAND z Density(bitcost) BetweenDRAMandNAND In2015, Keyaspectistorealizeatleast16Gbit astheproduct bits 4G 128G Memory positionApplication Usage byte addressing block addressing
- 24. Storage Class Memory(2) ※出典 ストレージインタフェースを採⽤用する限り、 不不揮発性メモリの⾼高速化のメリットは⼩小 → OpenNVM, Linux Persistent Memory (DAX, etc) 22 12 SCMRequirement Ꮫ165 @ᮾ ExpectedFuture SRAM NANDFlash HDD 5ns 50ns 1ms 10ms DRAM SCM z SCMismainapplicationforReRAM technologies z SCMRequirement z Performance BetweenDRAMandNAND z Density(bitcost) BetweenDRAMandNAND In2015, Keyaspectistorealizeatleast16Gbit astheproduct bits 4G 128G HardwareFile SystemSystem call HDD6900μs SSD100μs4μs1μs New NVMs5μs ※筒井（ソニー）”⾼高速ReRAMの応⽤用技術,” 学振165, 2014
- 25. 不不揮発メモリとOS研究 • 夢の？単⼀一記憶（ワンレベルストア） – メモリ＝ストレージ – ページキャッシュは不不要 – ページングも不不要？ 保護の仕組みは？ • 不不揮発ならではの悩み – プログラムのライフサイクル管理理（起動、停⽌止、更更 新）への影響 – セキュリティを考慮すると、明⽰示的な消去も必要 23 K. Bailey, L. Steven, D. Gribble, H. Levy, Operating System Implications of Fast, Cheap, Non-‐‑‒Volatile Memory, HotOS11
- 26. 関連研究 • ファイルシステム – Unioning of the buffer cache and journaling layers [FAST13] – Byte addressable file system (BPFS) [SOSP09] • ストレージ – Whole-‐‑‒system persistence [ASPLOS12] – NV-‐‑‒Heap [ASPLOSS11] – Mnemosyne [ASPLOS11] • プロセスの永続化 – NV-‐‑‒Process [APSys12] • Linux kernel – Block I/F: NVMeドライバ – Memory I/F: PMFS、DAX 24
- 27. OS研究とDB研究 • 70〜～80年年代：UNIX – Ingres（PostreSQLの先祖） • double buffering問題 • “Operating System Support for Database Management,” M. Stonebraker, CACM, Vol.24, No.7, July 1981 • 90年年代：マイクロカーネル – ライブラリOS（e.g., exokernel） – 64ビット単⼀一アドレス空間OS（e.g., Opal） – オブジェクト指向DB • プログラミング⾔言語のオブジェクトの永続化 • データ間のリンクをポインタで表現（Pointer swizzling） • 2010年年代：仮想化、メニーコア化 – ビッグデータ処理理系（e.g., Hadoop） • スケーラビリティ、耐障害性 25
- 28. DB専⽤用OSの可能性 • ライブラリOSの利利⽤用 – OSはホワイトボックスに – c.f. データセンタ向けに特化した⾼高速I/Oを有する ライブラリOS研究（e.g., Arrakis, IX [OSDI14]） – ⾼高い抽象度度のOS・VM間I/F • OSはファイルシステムもネットワークスタック不不要 What is OSv? Traditional Stack Thin OS Java App App Server Hypervisor Hardware JVM guest OS C++ App guest OS App Server OSv + JVM Your App Hypervisor Hardware Your App OSv 26 OSOSOS Tuple space (dKVS) VMMVMMVMM