Systems Support for Emerging Memory Technologies

Sartakov, Vasily

Trust and scalability are the two significant factors which impede the dissemination of clouds. The possibility of privileged access to customer data by a cloud provider limits the usage of clouds for processing security-sensitive data. Low latency cloud services rely on in-memory computations, and thus, are limited by several characteristics of Dynamic RAM (DRAM) such as capacity, density, energy consumption, for example.
Two technological areas address these factors. Mainstream server platforms, such as Intel Software Guard eXtensions (SGX) und AMD Secure Encrypted Virtualisation (SEV) offer extensions for trusted execution in untrusted environments. Various technologies of Non-Volatile RAM (NV-RAM) have better capacity and density compared to DRAM and thus can be considered as DRAM alternatives in the future. However, these technologies and extensions require new programming approaches and system support since they add features to the system architecture: new system components (Intel SGX) and data persistence (NV-RAM).
This thesis is devoted to the programming and architectural aspects of persistent and trusted systems. For trusted systems, an in-depth analysis of new architectural extensions was performed. A novel framework named EActors and a database engine named STANlite were developed to effectively use the capabilities of trusted~execution.
For persistent systems, an in-depth analysis of prospective memory technologies, their features and the possible impact on system architecture was performed. A new persistence model, called the hypervisor-based model of persistence, was developed and evaluated by the NV-Hypervisor. This offers transparent persistence for legacy and proprietary software, and supports virtualisation of persistent memory.

Vertrauenswürdigkeit und Skalierbarkeit sind die beiden maßgeblichen Faktoren, die die Verbreitung von Clouds behindern. Die Möglichkeit privilegierter Zugriffe auf Kundendaten durch einen Cloudanbieter schränkt die Nutzung von Clouds bei der Verarbeitung von sicherheitskritischen und vertraulichen Informationen ein. Clouddienste mit niedriger Latenz erfordern die Durchführungen von Berechnungen im Hauptspeicher und sind daher an Charakteristika von Dynamic RAM (DRAM) wie Kapazität, Dichte, Energieverbrauch und andere Aspekte gebunden.
Zwei technologische Bereiche befassen sich mit diesen Faktoren: Etablierte Server Plattformen wie Intel Software Guard eXtensions (SGX) und AMD Secure Encrypted Virtualisation (SEV) stellen Erweiterungen für vertrauenswürdige Ausführung in nicht vertrauenswürdigen Umgebungen bereit. Verschiedene Technologien von nicht flüchtigem Speicher bieten bessere Kapazität und Speicherdichte verglichen mit DRAM, und können daher in Zukunft als Alternative zu DRAM herangezogen werden. Jedoch benötigen diese Technologien und Erweiterungen neuartige Ansätze und Systemunterstützung bei der Programmierung, da diese der Systemarchitektur neue Funktionalität hinzufügen: Systemkomponenten (Intel SGX) und Persistenz (nicht-flüchtiger Speicher).
Diese Dissertation widmet sich der Programmierung und den Architekturaspekten von persistenten und vertrauenswürdigen Systemen. Für vertrauenswürdige Systeme wurde eine detaillierte Analyse der neuen Architekturerweiterungen durchgeführt. Außerdem wurden das neuartige EActors Framework und die STANlite Datenbank entwickelt, um die neuen Möglichkeiten von vertrauenswürdiger Ausführung effektiv zu nutzen. Darüber hinaus wurde für persistente Systeme eine detaillierte Analyse zukünftiger Speichertechnologien, deren Merkmale und mögliche Auswirkungen auf die Systemarchitektur durchgeführt. Ferner wurde das neue Hypervisor-basierte Persistenzmodell entwickelt und mittels NV-Hypervisor ausgewertet, welches transparente Persistenz für alte und proprietäre Software, sowie Virtualisierung von persistentem Speicher ermöglicht.

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Sartakov, Vasily: Systems Support for Emerging Memory Technologies. 2020.

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