Reinventar la tecnología informática en beneficio de los centros de datos

En el proyecto de sistemas informáticos más grande jamás realizado en la EPFL, un equipo internacional de investigadores ha ideado una nueva forma de construir computadoras para ayudar a abordar los crecientes desafíos que enfrentan los centros de datos.

Todo el mundo conoce la sensación de tener demasiado en qué pensar a la vez, pero imagina cómo es para los servidores de los centros de datos. Muy a menudo, la misma máquina tiene que atender las demandas de muchos programas diferentes, a petición de muchos usuarios diferentes, todos al mismo tiempo.

No sólo hay una cola para la memoria disponible del servidor, sino que también hay controles de seguridad: cada solicitud debe tratarse con cuidado para que los usuarios no vean los datos de los demás. ¿El resultado? Cuellos de botella. Los servidores funcionan lentamente, los recursos no se utilizan de manera eficiente.

Para intentar resolver este problema, hace cinco años, Babak Falsafi, profesor titular de la Facultad de Ciencias de la Computación y la Comunicación, formó un equipo internacional de múltiples talentos para crear Midgard, un nuevo enfoque en el uso de memoria virtual para los sistemas operativos actuales.

«Los principios tradicionales de los sistemas informáticos para gestionar la memoria se remontan a los años 60», explicó Falsafi. «Pero durante mucho tiempo, Apple ha estado rediseñando hardware y software específicamente para sus iPhones y portátiles/sobremesas Mac. Esto es lo que los diseñadores de servidores de centros de datos deberían haber hecho hace años. Los principios de los sistemas informáticos tradicionales no se adaptan a las increíblemente altas demandas de los servicios de nube actuales».

Los programas de computadora necesitan descubrir dónde realizar sus cálculos y la memoria virtual es la forma que tiene la computadora de engañar a un programa haciéndole creer que tiene mucho más espacio para realizar cálculos del que está disponible. Además, el espacio se comparte entre programas sin que estos lo sepan. El trabajo de la memoria virtual es dirigir cada programa al espacio que se le ha asignado y ejecutar comprobaciones de identidad y acceso cada vez que se utiliza el espacio. Esto asegura que los programas no se ejecuten entre sí, pero hace que el proceso sea lento.

Para mejorar el rendimiento de los servidores, el equipo de Midgard se propuso rediseñar la memoria virtual. Compartimentaron la memoria virtual para que los programas puedan encontrar rápidamente su espacio de trabajo y el hardware pueda realizar las comprobaciones de acceso con poca demora o energía.

Midgard no sólo puede reducir los cuellos de botella en la memoria virtual mientras mantiene los altos niveles de seguridad requeridos por un centro de datos, sino que también es compatible con los estándares modernos de desarrollo de software (para teléfonos, computadoras portátiles/de escritorio y servidores) y no tiene en cuenta a los desarrolladores de aplicaciones.

Los beneficios no son sólo un rendimiento más rápido, sino también un nivel mucho mayor de eficiencia, lo que desempeña un papel en la importante batalla para reducir la huella de carbono de los centros de datos.

«En los centros de datos, la memoria es un componente de hardware compartido y representa el 50% del coste del servidor, habiendo crecido 12 órdenes de magnitud en capacidad desde finales de los años 1960», destacó Falsafi.

Pero los servidores no siempre se utilizan de manera eficiente en los centros de datos. Hay informes independientes que indican que más de la mitad de la memoria que los proveedores de la nube alquilan a los clientes no se utiliza.

«Microsoft informó recientemente que debido a la forma en que alquilan servidores a clientes de la nube, el 20% de su memoria permanece varada (no alquilada). Estamos tratando de crear tecnologías para ayudar a los operadores y a sus clientes a utilizar su hardware de manera más eficiente», continuó.

A medida que la iniciativa Midgard de cinco años llega a su fin, puede presumir de una gran cantidad de publicaciones, un demostrador interno que muestra ganancias de orden de magnitud, una presentación en Intel y, por supuesto, hablar de una secuela.

«Ahora estamos analizando la computación a escala de bastidor», explica Falsafi, «con una colección de servidores especialmente diseñados que se comportan como una sola computadora en un centro de datos. Con estructuras de red emergentes que conectan un bastidor completo de servidores, los servicios en la nube pueden usar todo el hardware, no solo la memoria, de manera más eficiente en los centros de datos. Queremos seguir adelante con lo que hemos descubierto en Midgard y desarrollar la mejor estrategia posible para mejorar la utilización del hardware de los futuros centros de datos. Éste es el objetivo que nos impulsa».