Hardware-conscious query processing for the many-core era

Pohl, Constantin GND

Die optimale Nutzung von moderner Hardware zur Beschleunigung von Datenbank-Anfragen ist keine triviale Aufgabe. Viele DBMS als auch DSMS der letzten Jahrzehnte basieren auf Sachverhalten, die heute kaum noch Gültigkeit besitzen. Ein Beispiel hierfür sind heutige Server-Systeme, deren Hauptspeichergröße im Bereich mehrerer Terabytes liegen kann und somit den Weg für Hauptspeicherdatenbanken geebnet haben. Einer der größeren letzten Hardware Trends geht hin zu Prozessoren mit einer hohen Anzahl von Kernen, den sogenannten Manycore CPUs. Diese erlauben hohe Parallelitätsgrade für Programme durch Multithreading sowie Vektorisierung (SIMD), was die Anforderungen an die Speicher-Bandbreite allerdings deutlich erhöht. Der sogenannte High-Bandwidth Memory (HBM) versucht diese Lücke zu schließen, kann aber ebenso wie Many-core CPUs jeglichen Performance-Vorteil negieren, wenn dieser leichtfertig eingesetzt wird. Diese Arbeit stellt die Many-core CPU-Architektur zusammen mit HBM vor, um Datenbank sowie Datenstrom-Anfragen zu beschleunigen. Es wird gezeigt, dass ein hardwarenahes Kostenmodell zusammen mit einem Kalibrierungsansatz die Performance verschiedener Anfrageoperatoren verlässlich vorhersagen kann. Dies ermöglicht sowohl eine adaptive Partitionierungs und Merge-Strategie für die Parallelisierung von Datenstrom-Anfragen als auch eine ideale Konfiguration von Join-Operationen auf einem DBMS. Nichtsdestotrotz ist nicht jede Operation und Anwendung für die Nutzung einer Many-core CPU und HBM geeignet. Datenstrom-Anfragen sind oft auch an niedrige Latenz und schnelle Antwortzeiten gebunden, welche von höherer Speicher-Bandbreite kaum profitieren können. Hinzu kommen üblicherweise niedrigere Taktraten durch die hohe Kernzahl der CPUs, sowie Nachteile für geteilte Datenstrukturen, wie das Herstellen von Cache-Kohärenz und das Synchronisieren von parallelen Thread-Zugriffen. Basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit lässt sich ableiten, welche parallelen Datenstrukturen sich für die Verwendung von HBM besonders eignen. Des Weiteren werden verschiedene Techniken zur Parallelisierung und Synchronisierung von Datenstrukturen vorgestellt, deren Effizienz anhand eines Mehrwege-Datenstrom-Joins demonstriert wird.

Exploiting the opportunities given by modern hardware for accelerating query processing speed is no trivial task. Many DBMS and also DSMS from past decades are based on fundamentals that have changed over time, e.g., servers of today with terabytes of main memory capacity allow complete avoidance of spilling data to disk, which has prepared the ground some time ago for main memory databases. One of the recent trends in hardware are many-core processors with hundreds of logical cores on a single CPU, providing an intense degree of parallelism through multithreading as well as vectorized instructions (SIMD). Their demand for memory bandwidth has led to the further development of high-bandwidth memory (HBM) to overcome the memory wall. However, many-core CPUs as well as HBM have many pitfalls that can nullify any performance gain with ease.
In this work, we explore the many-core architecture along with HBM for database and data stream query processing. We demonstrate that a hardware-conscious cost model with a calibration approach allows reliable performance prediction of various query operations. Based on that information, we can, therefore, come to an adaptive partitioning and merging strategy for stream query parallelization as well as finding an ideal configuration of parameters for one of the most common tasks in the history of DBMS, join processing.
However, not all operations and applications can exploit a many-core processor or HBM, though. Stream queries optimized for low latency and quick individual responses usually do not benefit well from more bandwidth and suffer from penalties like low clock frequencies of many-core CPUs as well. Shared data structures between cores also lead to problems with cache coherence as well as high contention. Based on our insights, we give a rule of thumb which data structures are suitable to parallelize with focus on HBM usage. In addition, different parallelization schemas and synchronization techniques are evaluated, based on the example of a multiway stream join operation.

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