[論文レビュー] Serverless Predictions: 2021-2030

Pedro López, Aleksander Slominski+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2021

Cloud Computing and Resource Management参考文献 14被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、2030年までにリソースの非統合化の進展により、サーバessコンピューティングが完全な透明性を達成すると予測している。これにより、変更のない単一マシンアプリケーションが、実質的に無限のリモートリソース上で実行可能になる。低遅延ネットワーキング、ハードウェア最適化されたミドルウェア、統一されたプログラミングモデルを活用することで、サーバーレスの最果て（Serverless End Game）はローカル実行とリモート実行を統合し、開発者がインフラを管理したり手動でスケーリングしたりする必要がなくなる。

ABSTRACT

Within the next 10 years, advances on resource disaggregation will enable full transparency for most Cloud applications: to run unmodified single-machine applications over effectively unlimited remote computing resources. In this article, we present five serverless predictions for the next decade that will realize this vision of transparency -- equivalent to Tim Wagner's Serverless SuperComputer or AnyScale's Infinite Laptop proposals.

研究の動機と目的

• 2021年から2030年までのサーバーレスコンピューティングの進化を予測し、分散システムにおける完全な透明性の実現に焦点を当てる。
• 長年の課題である分散システムの複雑さを隠すために、ローカルとリモートのプログラミングモデルを統合すること。
• 完全な透明性を可能にするために必要な技術的要因——低遅延ネットワーキング、メモリの非統合化、効率的なミドルウェア——を特定する。
• アプリケーションが非統合化され、エラスティックなリソース上で変更なしに実行可能になる「サーバーレスの最果て」のビジョンを提示する。
• アーキテクチャ的およびミドルウェア的革新を通じて、現在のサーバーレスプラットフォームの制限（状態なし、関数間通信の質の低さ、高コスト）を克服する。

提案手法

• 関数間通信、時間制限、ハードウェアアクセcelerationの制限を克服する基盤として、マルチテナントKubernetesを活用したサーバーレスクラスタを提唱する。
• 最適化されたリモートプロシージャー呼び出し（RPC）とハードウェアに配慮したスケジューリングを用いて、マイクロ秒レベルのリモート関数遅延（1–10 µs）を実現するサーバーレス細粒度コンピューティングを導入する。
• Faasm や Lithops などのミドルウェアを活用し、システムコールやライブラリインタフェース（例：POSIX、OpenMP、MPI）をインターセプトすることで、変更のないアプリケーションの透明な分散実行を実現する。
• LegoOS を、仮想ノード（vNodes）を公開する分散型OSのモデルとして活用し、標準のLinuxシステムコールを介して非統合化されたコンピューティング、メモリ、ストレージを管理する。
• カスタマイズ可能なコントロールプレーンと観測性レイヤーを導入し、データセンタースパンで迅速なオーケストレーション、動的リソース割り当て、コストを考慮したスケジューリングを可能にする。
• 静的解析と宣言的モデリングを活用してリソース要件、障害、ハードウェアアクセcelerationの可能性を予測し、分散ワークロードの能動的最適化を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにしてサーバーレスプラットフォームが、リモートリソースをローカルリソースと同一視することで、完全な透明性を達成し、変更のないアプリケーションが無限にスケーリング可能になるか？
• RQ2 リモートアクセス遅延をマイクロ秒レベルにまで低下させるために、ネットワーキング、メモリ、コンピューティング分野でどのような技術的進歩が必要か？
• RQ3 既存のアプリケーション、特に状態保持型および並列処理ワークロードが、非統合化されたリソース上で変更なしに透明に実行可能になるか？
• RQ4 カスタマイズ可能なコントロールプレーンと観測性メカニズムは、サーバーレス環境における効率的でコスト効率が良く、エラスティックなリソース管理をどのように可能にするか？
• RQ5 現在のサーバーレスの制限（例：状態なし、高コスト、関数間通信の質の低さ）は、ミドルウェアおよびシステム設計におけるアーキテクチャ的革新によって克服可能か？

主な発見

• リモートストレージアクセス遅延はすでに10msに達しており、ローカルディスクと同等であり、非揮発性メモリ（NVM）の導入で0.05msまで低下すると予想される。これにより、効率的な非統合化が可能になる。
• 最適化されたRPCを用いたリモートコンピューティング遅延は、0.001–0.1ms（1–100µs）まで低下すると予測されており、ローカルスレッド作成時間（約10µs）に近づき、細粒度のリモート関数実行を可能にする。
• 恒久メモリ（PMEM）を用いたメモリ非統合化では、リモートアクセス遅延が0.002–0.01msにまで低下し、ローカルメモリ（0.0001ms）との性能差を顕著に縮小する。
• Faasm や Lithops などのミドルウェアは、システムコールやライブラリインタフェースをインターセプトすることで、変更のないアプリケーションの透明な実行を可能にするが、アプリケーションが下位のAPIを認識する必要がある。
• 2030年までに、サーバーレスの最果てはローカルとリモートのプログラミングモデルを統合し、変更のない単一マシンアプリケーションが実質的に無限のリモートリソース上でスケーリング可能になる。
• 軽量なマイクロVMのスケジューリングの向上と、リモートリソース使用に対する高度なコスト制御プレーンの可用性により、サーバーレスコンピューティングにおけるコスト障壁は軽減される。