Energy-Aware Data Management on NUMA Architectures

The ever-increasing need for more computing and data processing power demands for a continuous and rapid growth of power-hungry data center capacities all over the world. As a first study in 2008 revealed, energy consumption of such data centers is becoming a critical problem, since their power consumption is about to double every 5 years. However, a recently (2016) released follow-up study points out that this threatening trend was dramatically throttled within the past years, due to the increased energy efficiency actions taken by data center operators. Furthermore, the authors of the study emphasize that making and keeping data centers energy-efficient is a continuous task, because more and more computing power is demanded from the same or an even lower energy budget, and that this threatening energy consumption trend will resume as soon as energy efficiency research efforts and its market adoption are reduced. An important class of applications running in data centers are data management systems, which are a fundamental component of nearly every application stack. While those systems were traditionally designed as disk-based databases that are optimized for keeping disk accesses as low a possible, modern state-of-the-art database systems are main memory-centric and store the entire data pool in the main memory, which replaces the disk as main bottleneck. To scale up such in-memory database systems, non-uniform memory access (NUMA) hardware architectures are employed that face a decreased bandwidth and an increased latency when accessing remote memory compared to the local memory. In this thesis, we investigate energy awareness aspects of large scale-up NUMA systems in the context of in-memory data management systems. To do so, we pick up the idea of a fine-grained data-oriented architecture and improve the concept in a way that it keeps pace with increased absolute performance numbers of a pure in-memory DBMS and scales up on NUMA systems in the large scale. To achieve this goal, we design and build ERIS, the first scale-up in-memory data management system that is designed from scratch to implement a data-oriented architecture. With the help of the ERIS platform, we explore our novel core concept for energy awareness, which is Energy Awareness by Adaptivity. The concept describes that software and especially database systems have to quickly respond to environmental changes (i.e., workload changes) by adapting themselves to enter a state of low energy consumption. We present the hierarchically organized Energy-Control Loop (ECL), which is a reactive control loop and provides two concrete implementations of our Energy Awareness by Adaptivity concept, namely the hardware-centric Resource Adaptivity and the software-centric Storage Adaptivity. Finally, we will give an exhaustive evaluation regarding the scalability of ERIS as well as our adaptivity facilities

Modern data analytics in the cloud era

Cloud Computing ist die dominante Technologie des letzten Jahrzehnts. Die Benutzerfreundlichkeit der verwalteten Umgebung in Kombination mit einer nahezu unbegrenzten Menge an Ressourcen und einem nutzungsabhängigen Preismodell ermöglicht eine schnelle und kosteneffiziente Projektrealisierung für ein breites Nutzerspektrum. Cloud Computing verändert auch die Art und Weise wie Software entwickelt, bereitgestellt und genutzt wird. Diese Arbeit konzentriert sich auf Datenbanksysteme, die in der Cloud-Umgebung eingesetzt werden. Wir identifizieren drei Hauptinteraktionspunkte der Datenbank-Engine mit der Umgebung, die veränderte Anforderungen im Vergleich zu traditionellen On-Premise-Data-Warehouse-Lösungen aufweisen. Der erste Interaktionspunkt ist die Interaktion mit elastischen Ressourcen. Systeme in der Cloud sollten Elastizität unterstützen, um den Lastanforderungen zu entsprechen und dabei kosteneffizient zu sein. Wir stellen einen elastischen Skalierungsmechanismus für verteilte Datenbank-Engines vor, kombiniert mit einem Partitionsmanager, der einen Lastausgleich bietet und gleichzeitig die Neuzuweisung von Partitionen im Falle einer elastischen Skalierung minimiert. Darüber hinaus führen wir eine Strategie zum initialen Befüllen von Puffern ein, die es ermöglicht, skalierte Ressourcen unmittelbar nach der Skalierung auszunutzen. Cloudbasierte Systeme sind von fast überall aus zugänglich und verfügbar. Daten werden häufig von zahlreichen Endpunkten aus eingespeist, was sich von ETL-Pipelines in einer herkömmlichen Data-Warehouse-Lösung unterscheidet. Viele Benutzer verzichten auf die Definition von strikten Schemaanforderungen, um Transaktionsabbrüche aufgrund von Konflikten zu vermeiden oder um den Ladeprozess von Daten zu beschleunigen. Wir führen das Konzept der PatchIndexe ein, die die Definition von unscharfen Constraints ermöglichen. PatchIndexe verwalten Ausnahmen zu diesen Constraints, machen sie für die Optimierung und Ausführung von Anfragen nutzbar und bieten effiziente Unterstützung bei Datenaktualisierungen. Das Konzept kann auf beliebige Constraints angewendet werden und wir geben Beispiele für unscharfe Eindeutigkeits- und Sortierconstraints. Darüber hinaus zeigen wir, wie PatchIndexe genutzt werden können, um fortgeschrittene Constraints wie eine unscharfe Multi-Key-Partitionierung zu definieren, die eine robuste Anfrageperformance bei Workloads mit unterschiedlichen Partitionsanforderungen bietet. Der dritte Interaktionspunkt ist die Nutzerinteraktion. Datengetriebene Anwendungen haben sich in den letzten Jahren verändert. Neben den traditionellen SQL-Anfragen für Business Intelligence sind heute auch datenwissenschaftliche Anwendungen von großer Bedeutung. In diesen Fällen fungiert das Datenbanksystem oft nur als Datenlieferant, während der Rechenaufwand in dedizierten Data-Science- oder Machine-Learning-Umgebungen stattfindet. Wir verfolgen das Ziel, fortgeschrittene Analysen in Richtung der Datenbank-Engine zu verlagern und stellen das Grizzly-Framework als DataFrame-zu-SQL-Transpiler vor. Auf dieser Grundlage identifizieren wir benutzerdefinierte Funktionen (UDFs) und maschinelles Lernen (ML) als wichtige Aufgaben, die von einer tieferen Integration in die Datenbank-Engine profitieren würden. Daher untersuchen und bewerten wir Ansätze für die datenbankinterne Ausführung von Python-UDFs und datenbankinterne ML-Inferenz.Cloud computing has been the groundbreaking technology of the last decade. The ease-of-use of the managed environment in combination with nearly infinite amount of resources and a pay-per-use price model enables fast and cost-efficient project realization for a broad range of users. Cloud computing also changes the way software is designed, deployed and used. This thesis focuses on database systems deployed in the cloud environment. We identify three major interaction points of the database engine with the environment that show changed requirements compared to traditional on-premise data warehouse solutions. First, software is deployed on elastic resources. Consequently, systems should support elasticity in order to match workload requirements and be cost-effective. We present an elastic scaling mechanism for distributed database engines, combined with a partition manager that provides load balancing while minimizing partition reassignments in the case of elastic scaling. Furthermore we introduce a buffer pre-heating strategy that allows to mitigate a cold start after scaling and leads to an immediate performance benefit using scaling. Second, cloud based systems are accessible and available from nearly everywhere. Consequently, data is frequently ingested from numerous endpoints, which differs from bulk loads or ETL pipelines in a traditional data warehouse solution. Many users do not define database constraints in order to avoid transaction aborts due to conflicts or to speed up data ingestion. To mitigate this issue we introduce the concept of PatchIndexes, which allow the definition of approximate constraints. PatchIndexes maintain exceptions to constraints, make them usable in query optimization and execution and offer efficient update support. The concept can be applied to arbitrary constraints and we provide examples of approximate uniqueness and approximate sorting constraints. Moreover, we show how PatchIndexes can be exploited to define advanced constraints like an approximate multi-key partitioning, which offers robust query performance over workloads with different partition key requirements. Third, data-centric workloads changed over the last decade. Besides traditional SQL workloads for business intelligence, data science workloads are of significant importance nowadays. For these cases the database system might only act as data delivery, while the computational effort takes place in data science or machine learning (ML) environments. As this workflow has several drawbacks, we follow the goal of pushing advanced analytics towards the database engine and introduce the Grizzly framework as a DataFrame-to-SQL transpiler. Based on this we identify user-defined functions (UDFs) and machine learning inference as important tasks that would benefit from a deeper engine integration and investigate approaches to push these operations towards the database engine

Enhancing Energy Production with Exascale HPC Methods

High Performance Computing (HPC) resources have become the key actor for achieving more ambitious challenges in many disciplines. In this step beyond, an explosion on the available parallelism and the use of special purpose processors are crucial. With such a goal, the HPC4E project applies new exascale HPC techniques to energy industry simulations, customizing them if necessary, and going beyond the state-of-the-art in the required HPC exascale simulations for different energy sources. In this paper, a general overview of these methods is presented as well as some specific preliminary results.The research leading to these results has received funding from the European Union's Horizon 2020 Programme (2014-2020) under the HPC4E Project (www.hpc4e.eu), grant agreement n° 689772, the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness under the CODEC2 project (TIN2015-63562-R), and from the Brazilian Ministry of Science, Technology and Innovation through Rede Nacional de Pesquisa (RNP). Computer time on Endeavour cluster is provided by the Intel Corporation, which enabled us to obtain the presented experimental results in uncertainty quantification in seismic imagingPostprint (author's final draft

Optimiser-based recommendations of physical database design

Die Komplexitiät aktueller relationaler Datenbank Management Systeme stellt eine immer größere Herausforderung an Datenbankadministratoren dar. Jede Laufzeitumgebung benötigt eine für sie angepasste Konfiguration, um performant zu operieren. Selbst innerhalb einer Umgebung können sich die Anforderungen im Laufe der Zeit ändern und eine erneute Anpassung erfordern. Dies zwingt den DBA sich kontinuierlich und intensiv mit dem System zu beschäftigen. Das Ziel eines modernen DBMS muss die Unterstützung des DBAs sein, um seine Arbeit mit automatisierten Prozessen und Handlungsabläufen zu erleichtern und ihm so stets schnelle und prezise Entscheidungen zu ermöglichen. Diese Arbeit zielt auf die Beschreibung und teilweise Umsetzung eines unterstützenden Systems, das die aktuelle DBMS Konfiguration zusammen mit dem aktuellen Anfrageverhalten analysiert und dem DBA Vorschläge unterbreitet, wie sich die Performanz und Effizienz des Systems verbessern lässt.Today's relational database management systems are made up of many complex components and managing these presents a growing challenge for database administrators. Every runtime environment can require different configurations to deliver adequate performance. Even withinthe same environment demands can shift over time when workloads change. Keeping up with these demands requires continuous effort from the DBA. The goal of a modern DBMS must be to support the DBA in his work with automated processes and workflows that allow him tomake quick and precise decisions. This work aims at describing and partially implementing asupportive system that will analyse the current DBMS configuration together with its workload to give recommendations on how to improve its performance and efficiency.Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 200