Lawrence Benson

• Efficiently managing large state is a key challenge for data management systems. Traditionally, state is split into fast but volatile state in memory for processing and persistent but slow state on secondary storage for durability. Persistent memory (PMem), as a new technology in the storage hierarchy, blurs the lines between these states by offering both byte-addressability and low latency like DRAM as well persistence like secondary storage. These characteristics have the potential to cause a major performance shift in database systems. Driven by the potential impact that PMem has on data management systems, in this thesis we explore their use of PMem. We first evaluate the performance of real PMem hardware in the form of Intel Optane in a wide range of setups. To this end, we propose PerMA-Bench, a configurable benchmark framework that allows users to evaluate the performance of customizable database-related PMem access. Based on experimental results obtained with PerMA-Bench, we discuss findings and identify general andEfficiently managing large state is a key challenge for data management systems. Traditionally, state is split into fast but volatile state in memory for processing and persistent but slow state on secondary storage for durability. Persistent memory (PMem), as a new technology in the storage hierarchy, blurs the lines between these states by offering both byte-addressability and low latency like DRAM as well persistence like secondary storage. These characteristics have the potential to cause a major performance shift in database systems. Driven by the potential impact that PMem has on data management systems, in this thesis we explore their use of PMem. We first evaluate the performance of real PMem hardware in the form of Intel Optane in a wide range of setups. To this end, we propose PerMA-Bench, a configurable benchmark framework that allows users to evaluate the performance of customizable database-related PMem access. Based on experimental results obtained with PerMA-Bench, we discuss findings and identify general and implementation-specific aspects that influence PMem performance and should be considered in future work to improve PMem-aware designs. We then propose Viper, a hybrid PMem-DRAM key-value store. Based on PMem-aware access patterns, we show how to leverage PMem and DRAM efficiently to design a key database component. Our evaluation shows that Viper outperforms existing key-value stores by 4–18x for inserts while offering full data persistence and achieving similar or better lookup performance. Next, we show which changes must be made to integrate PMem components into larger systems. By the example of stream processing engines, we highlight limitations of current designs and propose a prototype engine that overcomes these limitations. This allows our prototype to fully leverage PMem's performance for its internal state management. Finally, in light of Optane's discontinuation, we discuss how insights from PMem research can be transferred to future multi-tier memory setups by the example of Compute Express Link (CXL). Overall, we show that PMem offers high performance for state management, bridging the gap between fast but volatile DRAM and persistent but slow secondary storage. Although Optane was discontinued, new memory technologies are continuously emerging in various forms and we outline how novel designs for them can build on insights from existing PMem research.…
• Die effiziente Verwaltung großer Zustände ist eine zentrale Herausforderung für Datenverwaltungssysteme. Traditionell wird der Zustand in einen schnellen, aber flüchtigen Zustand im Speicher für die Verarbeitung und einen persistenten, aber langsamen Zustand im Sekundärspeicher für die Speicherung unterteilt. Persistenter Speicher (PMem), eine neue Technologie in der Speicherhierarchie, lässt die Grenzen zwischen diesen Zuständen verschwimmen, indem er sowohl Byte-Adressierbarkeit und geringe Latenz wie DRAM als auch Persistenz wie Sekundärspeicher bietet. Diese Eigenschaften haben das Potenzial, die Leistung von Datenbanksystemen grundlegend zu verändern. Aufgrund der potenziellen Auswirkungen, die PMem auf Datenverwaltungssysteme hat, untersuchen wir in dieser Arbeit ihre Verwendung von PMem. Zunächst evaluieren wir die Leistung von echter PMem-Hardware in Form von Intel Optane in einer Vielzahl von Konfigurationen. Zu diesem Zweck stellen wir PerMA-Bench vor, ein konfigurierbares Benchmark-Framework, mit dem Benutzer die LeistungDie effiziente Verwaltung großer Zustände ist eine zentrale Herausforderung für Datenverwaltungssysteme. Traditionell wird der Zustand in einen schnellen, aber flüchtigen Zustand im Speicher für die Verarbeitung und einen persistenten, aber langsamen Zustand im Sekundärspeicher für die Speicherung unterteilt. Persistenter Speicher (PMem), eine neue Technologie in der Speicherhierarchie, lässt die Grenzen zwischen diesen Zuständen verschwimmen, indem er sowohl Byte-Adressierbarkeit und geringe Latenz wie DRAM als auch Persistenz wie Sekundärspeicher bietet. Diese Eigenschaften haben das Potenzial, die Leistung von Datenbanksystemen grundlegend zu verändern. Aufgrund der potenziellen Auswirkungen, die PMem auf Datenverwaltungssysteme hat, untersuchen wir in dieser Arbeit ihre Verwendung von PMem. Zunächst evaluieren wir die Leistung von echter PMem-Hardware in Form von Intel Optane in einer Vielzahl von Konfigurationen. Zu diesem Zweck stellen wir PerMA-Bench vor, ein konfigurierbares Benchmark-Framework, mit dem Benutzer die Leistung von anpassbaren datenbankbezogenen PMem-Zugriffen untersuchen können. Auf der Grundlage der mit PerMA-Bench erzielten experimentellen Ergebnisse diskutieren wir unsere Erkenntnisse und identifizieren allgemeine und implementierungsspezifische Aspekte, die die PMem-Leistung beeinflussen und in zukünftigen Arbeiten berücksichtigt werden sollten, um PMem-fähige Designs zu verbessern. Anschließend präsentieren wir Viper, einen hybriden PMem-DRAM Key-Value-Store. Basierend auf PMem-bewussten Zugriffsmustern zeigen wir, wie PMem und DRAM effizient genutzt werden können, um eine wichtige Datenbankkomponente zu entwickeln. Unsere Evaluierung zeigt, dass Viper bestehende Key-Value-Stores bei Einfügungen um 4- bis 18-mal übertrifft, während er gleichzeitig vollständige Datenpersistenz bietet und ähnliche oder bessere Lookup-Leistung erzielt. Als nächstes zeigen wir, welche Änderungen vorgenommen werden müssen, um PMem-Komponenten in größere Systeme zu integrieren. Am Beispiel von Datenstromverarbeitungssystemen zeigen wir die Einschränkungen aktueller Designs auf und stellen einen Prototyp eines Systems vor, das diese Einschränkungen überwindet. Dadurch kann unser Prototyp die Leistung von PMem für die interne Zustandsverwaltung voll ausnutzen. Schließlich erörtern wir angesichts der Abkündigung von Optane, wie Erkenntnisse aus der PMem-Forschung am Beispiel von Compute Express Link (CXL) auf künftige mehrstufige Speicher-Setups übertragen werden können. Insgesamt zeigen wir, dass PMem eine hohe Leistungsfähigkeit für die Zustandsverwaltung bietet und die Lücke zwischen schnellem, aber flüchtigem DRAM und beständigem, aber langsamem Sekundärspeicher schließt. Obwohl Optane eingestellt wurde, entstehen ständig neue Speichertechnologien in verschiedenen Formen, und wir skizzieren, wie neuartige Entwürfe für sie auf den Erkenntnissen aus der bestehenden PMem-Forschung aufbauen können.…