A Research on Efficient and Scalable DBMS for Many-core Based Platform

 本研究では，プロセッサチップ中のコア数が著しく増加している近年のメニーコア化の動向において，コア数の増加に比してデータベース処理性能が十分に向上しないスケーラビリティ阻害の問題を対象として，その要因を明らかにし，効果的な対応方法を提案するとともに，実際に複数のマルチコアを用いてその効果を確認しました．

 これまでデータベース管理システム（DBMS）をマルチコア上で実行する場合，各クエリをコアに適宜割り振り実行させていました．それらクエリは，ハードウェア・レベルとソフトウェア・レベルのリソースを共有しますが，同時実行クエリ数が増加すると，それらのリソース共有が処理のボトルネックとなります．本研究では，リソース共有の中でもキャッシュとバッファプールに着目しました．

 従来のDBMSのリソース共有に関する研究では，DBMSやOSの内部に手を入れるものがほとんどでした．しかし，DBMSやOSは複雑で規模の大きなソフトウェアで，内部を修正することは非常にコストがかかる上，汎用性がなくなります．本研究では，DBMSとOSに手を加えずに効率的なリソース共有を行うために，ミドルウェアを用いるアプローチを取りました．

 CARIC-DAと名付けたミドルウェアでは，各コアにDBMSプロセスを割り付け，そのプロセスで扱うデータの値の範囲（値域）を設定しておき，ミドルウェアでクエリを解析し，扱うデータの値域に従って対応するプロセスを決め，そこにクエリを投げます．同じ値域のクエリが同一コアで実行されることで，コアのプライベートキァッシュのヒット率が向上します．このアプローチは特にオンライントランザクション処理（OLTP）処理に効果的です．実際に，IntelとAMDの最新のメニーコア環境でOLTPのベンチマークであるTPC-CとPostgreSQLを用いて，CARIC-DAの評価を行い，キャッシュヒット率と実行性能の向上の効果を示しました．

 また，OLTPだけでなく異なるワークロードが混在する場合のメニーコア環境の性能を解析し，単一インスタンスのDBMSでのメインメモリ上のバッファプールにおけるリソース共有がボトルネックとなることを明らかにしました．インスタンスを複数にすることで，バッファプールのリソース競合を減らすことができますが，インスタンス間の一貫性制御が必要になります．マルチコア環境では，2相コミットの通信コストが低いことから，マルチコアにDBMSの複数インスタンスを置き，CARIC-DAと同様にミドルウェアで，クエリの内容に従って，それらのインスタンスにクエリを投げ，2相コミットを行うPM-DBと名付けたミドルウェアを提案しました．実際にマルチコア上にPostgreSQLの複数インスタンスを配置し，異なるワークロードが混在するベンチマークであるTPC-Wを用いて，PM-DBの評価を行いその効果を示しました．

 今後ますますメニーコア化が進み，複数コアが共有するメインメモリやキャッシュといったリソースの効率的利用がさらに重要になると予想します．既存ソフトやOSに手を加えずリソースを有効利用する本研究のアプローチが他にも適用できるのではないかと思っています．