Ensino de Arquitetura e as Predições Tomadas por Desempenho com as Predições não Tomadas pela Segurança: Vulnerabilidades Meltdown e Spectre

Abstract

Na busca por desempenho não foram levados em consideração os efeitos colaterais gerados pelas correlações entre as otimizações, resultando hoje em vulnerabilidades como Spectre e Meltdown que ameaçam a segurança dos processadores fabricados nas duas últimas décadas. Este artigo apresenta uma abordagem para motivar o ensino de arquitetura de computadores para melhor compreender as vulnerabilidades, mostrando que uma visão ampliada e correlacionada de vários temas é necessária. Estes temas incluem a execução fora de ordem, a execução especulativa, as caches, os medidores em hardware, a memória virtual, dentre outros. A primeira parte deste trabalho apresenta uma proposta simplificada de ensino das otimizações para buscar desempenho e como correlacioná-las para fundamentar a explicação das vulnerabilidades. A metodologia é baseada em exemplos. A segunda parte mostra experimentos que podem ser utilizados para avaliar alguns impactos das vulnerabilidades. As grandes empresas do ramo, como Intel, AMD, ARM, entre outras, desenvolveram patches de correção. Porém os patches impactam diretamente no desempenho dos sistemas. Além da abordagem para ensino, o impacto do desempenho computacional com e sem os patches de segurança é ilustrado. A partir de testes feitos em benchmarks, foram observadas perdas de desempenho em torno de 10% para o conjunto de programas do Linux-Bench, podendo chegar a 16% para o conjunto de programas do GtkPerf a fim de garantir da proteção dos sistemas.