Das Midgard-Projekt denkt die Cloud neu - bis hin zum Speicher

Das von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) geleitete Projekt Midgard geht nach fünfjähriger Forschung zur Modernisierung der in Rechenzentren eingesetzten IT-Architekturen zu Ende. Unter der Leitung des Professors Babak Falsafi, dem Gründer des Ecocloud-Zentrums, brachte das Programm Teams der EPFL, Yale, der University of Edinburgh, der Korea University und der HES-SO zusammen. Finanziell unterstützt worden sei das Programm von Intel.

Laut EPFL ermöglichte die internationale Partnerschaft, "die Grundlagen der seit den 1960er Jahren etablierten virtuellen Speichersysteme zu hinterfragen" - basierend auf einem Modell der Zusammenarbeit zwischen akademischer Forschung und Industrie.

"Für ein transformatives Architekturprojekt brauchten wir ein bedeutendes Finanzierungsinstrument", erklärt Falsafi und erinnert daran, dass das Projekt zu einem Zeitpunkt gestartet werden konnte, als Schweizer Universitäten die meisten europäischen Projekte nicht mehr leiten konnten.

Virtuellen Speicher neu denken

Den Forschern zufolge basieren moderne Betriebssysteme immer noch auf Prinzipien des virtuellen Speichers, die für die ersten Grossrechner entwickelt wurden. Dieser Mechanismus, der die Sicherheit und Isolierung von Programmen gewährleistet, sei in grossen Cloud-Computing-Umgebungen zu einer Ursache für die Verlangsamung geworden.

Das Midgard-Projekt habe ein neues virtuelles Speicherdesign entwickelt, das Speicherzugriffe und Sicherheitsprüfungen effizienter verwalten und gleichzeitig mit bestehenden Systemen kompatibel bleiben kann. Laut EPFL kombiniert dieser hybride Ansatz eine in den Prozessor integrierte Hardwareunterstützung mit einer Softwareanpassung des Betriebssystems, wodurch die Zugriffsüberprüfung beschleunigt und einige langsame Vorgänge eliminiert werden. Es erfordere keine Modifikationen für Entwickler und bleibe mit Linux-, Android-, sowie iOS-, macOS- und HarmonyOS-Umgebungen kompatibel.

Dieses Konzept würde die interne Leistung von Servern verbessern und gleichzeitig den Energieverbrauch senken. Laut Falsafi macht der Arbeitsspeicher derzeit etwa 50 Prozent der Kosten eines Servers aus und ein grosser Teil dieser Ressource bleibe in Rechenzentren ungenutzt.

Anwendung auf Function-as-a-Service (FaaS)

Die Ergebnisse des Projekts wurden laut EPFL auf dem 52. internationalen Symposium für Computerarchitektur (ISCA 2025) in Tokio vorgestellt. Dort demonstrierten die Forscher die direkte Anwendung von Midgard auf das Function-as-a-Service-Modell (FaaS), ein von Amazon, Microsoft und Google verwendetes Berechnungsparadigma.

In diesem Modell, in dem jede Softwarefunktion aus Sicherheitsgründen isoliert sei, wird herkömmlicher virtueller Speicher zum Hindernis, wie es heisst. Midgard führt demnach eine hardwareverwaltete Speicherisolierung ein, wodurch Systemaufrufe überflüssig werden und die Verarbeitungszeit auf Mikrosekunden reduziert wird.

Diese Integration ermögliche die Ausführung von FaaS-Cloud-Funktionen mit direkter Hardwareisolierung, ohne die klassischen Softwareschichten des Betriebssystems zu durchlaufen. Dieser Vorgang reduziert laut Mitteilung die Latenz und den Ressourcenverbrauch in Serverumgebungen drastisch und gewährleistet gleichzeitig die Prozesssicherheit, so das Lausanner Institut.

Wie es weiter heisst, trägt die Technologie dazu bei, Engpässe im Zusammenhang mit der Speicherisolierung zu reduzieren. Laut EPFL zeigten Tests einen doppelt so hohen Durchsatz wie Referenzlösungen der Universitäten, wobei der Unterschied zu einem ungesicherten Modell lediglich 16 Prozent betrug.

Auf dem Weg zum Rack-Scale-Computing

Das Forschungsteam plane nun, diese Arbeit auf Rack-Scale-Computing auszuweiten, bei dem mehrere Server als ein einziger Computer fungieren. Dieser Ansatz würde die Hardwareauslastung verbessern, insbesondere die der GPUs, die bei KI-Workloads laut Falsafi ja nur zur Hälfte ausgelastet sind. "Wir versuchen, Technologien zu entwickeln, die Betreibern helfen, ihre Hardware effizienter zu nutzen. Das ist unser Ziel", sagt er.

Die EPFL schreibt, dass Midgard mit mehreren wissenschaftlichen Publikationen, einem internen Demonstrator und einer technischen Präsentation bei Intel abgeschlossen werde. Eine neue Forschungsphase sei bereits in Planung.

Die EPFL hat übrigens zusammen mit der ETH Zürich im Rahmen der 2023 vorgestellten "Swiss AI"-Initiative ein eigenes grosses Sprachmodell entwickelt. Lesen Sie hier mehr darüber.