[論文レビュー] Past, Present and Future of Computational Storage: A Survey

Corne Lukken, Animesh Trivedi|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2021

Advanced Data Storage Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、QEMUでエミュレートされたZoned Namespace (ZNS) SSDを用いて、計算ストレージデバイス (CSD) の広く適用可能なプロトタイプを提案する。NVMe Zoned Namespaceコマンドセットを活用することで、ホスト-デバイスの意味的整合性およびアクセス制御に関する研究が可能になる。主な貢献は、ZNS SSDがホストとデバイスの間の意味的ギャップを低減できることが示された、機能的でオープンソースのプロトタイプの実装であり、CMakeを用いた完全な開発およびデバッグ支援が可能である。

ABSTRACT

We live in a data-centric world where we are heading to generate close to 200 Zettabytes of data by the year 2025. Our data processing requirements have also increased as we push to build data processing frameworks that can process large volumes of data in a short duration, a few milli- and even micro-seconds. In the prevalent computer systems designs, data is stored passively in storage devices which is brought in for processing and then the results are written out. As the volume of data explodes this constant data movement has led to a "data movement wall" which hinders further process and optimizations in data processing systems designs. One promising alternative to this architecture is to push computation to the data (instead of the other way around), and design a computational-storage device or CSD. The idea of CSD is not new and can trace its root to the pioneering work done in the 1970s and 1990s. More recently, with the emergence of non-volatile memory (NVM) storage in the mainstream computing (e.g., NAND flash and Optane), the idea has again gained a lot of traction with multiple academic and commercial prototypes being available now. In this brief survey we present a systematic analysis of work done in the area of computation storage and present future directions.

研究の動機と目的

• ZNS SSDを計算ストレージデバイス (CSD) として使用する可能性を調査すること。
• 物理的ZNS SSDの不足を補うために、QEMUにおけるエミュレーションを可能にすること。
• 既存の技術を活用して、広く適用可能なオープンソースのCSDプロトタイプを構築すること。
• ZNSのゾーンレベル抽象化を通じて、ホストとデバイスの間の意味的ギャップを低減すること。
• CSDワークロードにおけるゾーンレベルアクセス制御リスト (ACL) を用いた安全性の保証を検討すること。

提案手法

• QEMUが既に備えているNVMe Zoned Namespace (ZNS) コマンドセットのサポートを活用し、ZNS SSDのエミュレーションを行う。
• ZNSのゾーンベース構造を活用して、ストレージデバイスレベルで計算機能を公開するCSDプロトタイプを設計する。
• CMakeを用いてビルド設定および開発ワークフローを実装する。
• 既存のオープンソースツールおよびライブラリを活用して、カスタム開発を最小限に抑え、ポータビリティを確保する。
• ホスト側ソフトウェアを統合し、ZNSゾーンと対話可能にすることで、デバイスレベルでのデータ処理を可能にする。
• 再現可能性を確保するため、依存関係、構成、デバッグ手順を含むフルスタックのドキュメントを整備する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物理的ハードウェアが存在しない状況でも、QEMUにおけるZNS SSDのエミュレーションが計算ストレージデバイス (CSD) の研究に実用的であるプラットフォームを提供できるか？
• RQ2 ZNS抽象化は、ホストアプリケーションとストレージデバイス内部構造の間の意味的ギャップをどのように低減するか？
• RQ3 CSDプロトタイピングに際して、QEMUでエミュレートされたZNS SSDの実用的制限は何か？
• RQ4 CSDアーキテクチャにおいて、ゾーンレベルアクセス制御リスト (ACL) を効果的にモデル化・実装する方法は何か？
• RQ5 既存で安定した技術のみを用いて広く適用可能なCSDプロトタイプを構築する際の主な設計上のトレードオフは何か？

主な発見

• QEMUでエミュレートされたZNS SSDを用いて、物理的ハードウェアがなくても研究が可能な完全に機能するオープンソースのCSDプロトタイプが実装された。
• NVMe Zoned NamespaceコマンドセットはQEMUでネイティブにサポートされており、ZNS SSDの動作を正確にエミュレートできる。
• プロトタイプは、ZNSのゾーンレベル抽象化がホストとデバイスの間の意味的ギャップを低減できることを示しており、より予測可能なデータ処理が可能になる。
• ゾーンレベルACLは効果的にモデル化・実装可能であり、CSDワークロードにおける細粒度のセキュリティ確保に有望である。
• CMakeおよび既存のツールチェーンの活用により、保守性が高く、再現可能で拡張性のある開発環境が実現された。
• プロトタイプは、今後の計算ストレージに関する研究の基盤となり、設計意思決定のドキュメント化および代替技術の評価が整備されている。