Milhões de pessoas dependem da nuvem todos os dias, mas os pesquisadores que trabalham para proteger e aprimorar a nuvem muitas vezes não têm acesso à tecnologia que a sustenta. Jeffery Lim está tentando mudar isso.

Uma dessas tecnologias, a virtualização de entrada/saída de raiz única (SR-IOV), permite que grandes provedores de nuvem, como a Amazon Web Services, aumentem o desempenho de seus sistemas. Os provedores de nuvem combinam SR-IOV com hardware e software personalizados para oferecer serviços de nuvem mais rápidos do que as configurações tradicionais permitem.

Lim é engenheiro de computação no Laboratório Lincoln do MIT. Durante seu mestrado, ele percebeu que as pesquisas acadêmicas que propunham infraestruturas de nuvem mais inteligentes ou seguras não levavam em conta a SR-IOV. Existiam pouquíssimas plataformas de hardware de código aberto que permitissem aos pesquisadores trabalhar diretamente com a SR-IOV no desenvolvimento de novos softwares ou modelos para aprimorar a nuvem.

Assim, Lim preencheu essa lacuna com sua dissertação de mestrado, construindo uma plataforma de hardware compatível com SR-IOV que captura características essenciais da infraestrutura usada por provedores de nuvem. O resultado é uma plataforma de pesquisa e desenvolvimento que permite aos pesquisadores construir, testar e avaliar projetos de nuvem realistas.

"Como sociedade, todos usam a nuvem hoje em dia", diz Lim. "Espero que as pessoas usem essa plataforma para construir sistemas mais semelhantes à forma como os provedores de nuvem operam e, de maneira mais ampla, que pesquisadores de todo o mundo possam aproveitar o SR-IOV pelos benefícios de desempenho que ele oferece."

Lim apresentou um  artigo  na Conferência de Computação Extrema de Alto Desempenho do IEEE em setembro e planeja disponibilizar este trabalho como código aberto. Em reconhecimento ao potencial impacto do hardware, a Faculdade de Engenharia da Universidade de Boston concedeu a Lim o Prêmio de Impacto Social para Mestres de 2026.

Ao crescer, Lim era fascinado por construir computadores. Essa fascinação o levou por um caminho sinuoso até o  Grupo de Sistemas e Tecnologias Seguras e Resilientes do Laboratório Lincoln.

Após estudar engenharia elétrica e da computação na Universidade do Colorado em Boulder, ele passou vários anos na indústria trabalhando com FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays) — circuitos integrados que podem ser reprogramados repetidamente para diferentes funções. Essa experiência o levou à sua contratação no laboratório em 2018, onde desenvolveu FPGAs para pequenos radares que detectam a respiração de pessoas  presas em escombros  e para grandes radares que rastreiam satélites e detritos orbitais do topo  de Millstone Hill . Em seguida, ele se dedicou a investigar falhas induzidas por radiação em circuitos integrados a bordo de plataformas espaciais e maneiras de proteger os chips.

Esse foco na proteção de hardware direcionou sua atenção para a segurança cibernética, uma área pela qual ele sempre teve interesse, mas que nunca havia explorado completamente. Assim, em 2022, Lim se transferiu para seu grupo atual para dar continuidade a esse interesse.

"Não acho que exista outro lugar no mundo onde eu pudesse dizer: 'Ei, quero tentar algo novo' e realmente ter essa oportunidade", diz Lim. "O Laboratório Lincoln faz isso muito bem, dando às pessoas a chance de fazer a transição para um campo diferente da engenharia ou uma área de especialização."

Para aprofundar seus conhecimentos, ele se candidatou e foi aceito em 2024 no  Programa Lincoln Scholars , que permite que funcionários técnicos cursem pós-graduação em tempo integral, nos níveis de mestrado ou doutorado. Os bolsistas permanecem empregados e aplicam seus trabalhos acadêmicos às necessidades de segurança nacional.

Enquanto cursava seu mestrado na Universidade de Boston, Lim trabalhou em estreita colaboração com seu mentor no Laboratório Lincoln, Benjamin Nahill, que o ajudou a manter sua pesquisa alinhada à missão do laboratório e serviu como um ponto de referência para suas ideias. "Eu o chamava de meu patinho de borracha", diz Lim, numa referência à prática clássica de engenharia de software de "depuração com patinho de borracha" — resolver problemas conversando em voz alta com um patinho de borracha.

"Conversamos bastante sobre o conceito da tese dele, mas a implementação só se tornou real perto do final", diz Nahill. "Ele transformou o que começou como uma ideia para uma ferramenta de pesquisa em uma implementação incrivelmente eficiente. Tendo trabalhado com Jeffery em projetos do nosso grupo, eu não deveria ter me surpreendido, mas foi realmente impressionante."

Quando a maioria das pessoas diz "nuvem", elas se referem aos serviços em nuvem oferecidos por empresas como Amazon, Microsoft e Google. A virtualização é o processo invisível que torna esses serviços possíveis. Usuários que enviam fotos ou assistem a filmes em streaming estão interagindo com máquinas virtuais, executadas em servidores em data centers.

Na última década, o SR-IOV mudou o funcionamento da virtualização tradicional. Tradicionalmente, um componente de software conhecido como hipervisor atua como intermediário entre as máquinas virtuais e o hardware físico do servidor. Sua principal função é distribuir recursos computacionais conforme a necessidade e fornecer funcionalidades (como rede) para as máquinas virtuais.

Em contraste, o SR-IOV permite que as máquinas virtuais acessem uma fatia dedicada do dispositivo de hardware, reduzindo a sobrecarga do hipervisor. Essa capacidade é frequentemente encontrada em dispositivos especializados chamados Smart Network Interface Cards (SmartNICs). As principais plataformas de nuvem, como o Nitro System da Amazon Web Services e o Azure Accelerated Networking da Microsoft, usam SmartNICs com SR-IOV para fornecer redes de alta velocidade para muitas máquinas virtuais.

"Essa era a capacidade de pesquisa que faltava e que eu me propus a construir: uma plataforma SmartNIC de código aberto compatível com SR-IOV", diz Lim. Como as SmartNICs podem ser construídas em FPGAs, Lim tinha um ponto de partida familiar. Na verdade, ele encontrou algumas plataformas que suportavam SR-IOV; no entanto, elas não possuíam recursos que as tornariam ferramentas práticas para pesquisadores. Ele passou alguns meses construindo esses componentes necessários.

O primeiro componente é uma malha de comutação. Frequentemente, os aplicativos ou programas dos clientes de nuvem podem ser distribuídos por várias máquinas virtuais, que por sua vez podem estar espalhadas por vários servidores. Portanto, o sistema de nuvem precisa de uma maneira de determinar se um dado precisa permanecer local ou sair do servidor. A malha de comutação da Lim lida com essa tarefa de direcionamento de tráfego.

O segundo componente é um mecanismo de função de rede. Este pequeno processador especializado foi projetado para executar regras de segurança, como firewalls, que mantêm os dados de um cliente separados dos dados de outro. Para construí-lo, Lim utilizou o Extended Berkeley Packet Filter, um sistema que permite que código personalizado inspecione o tráfego de rede, aprovando ou bloqueando dados conforme necessário. Em vez de começar do zero, ele adaptou o projeto da pesquisa de doutorado conduzida por Zaid Tahir, que estudou sob a orientação conjunta do professor Martin Herbordt, da Universidade de Boston.

Herbordt descreveu os esforços de Lim como "combinar visão com a construção heroica de sistemas, reunindo sozinho o hardware e o software necessários para provar o conceito".

"Sou um cara que gosta muito de colocar a mão na massa com hardware, então, sim, acabei montando dois servidores em casa para testar meus projetos", diz Lim. Ele também usou o  Open Cloud Testbed da  Mass Open Cloud , um ambiente de testes criado para plataformas em nuvem, para coletar métricas e validar seu sistema.

Ao longo de todo o projeto, Lim manteve o foco na aplicabilidade e na transparência. "Minha maior preocupação era: isso será relevante? Isso é algo que pode ser realmente utilizado?", reflete Lim.  

Receber o Prêmio de Impacto Social é um grande elogio. O prêmio reconhece projetos que abordam desafios globais urgentes por meio de aplicações inovadoras de tecnologia. A plataforma de Lim abre caminho para a avaliação de um modelo de confiança na nuvem que permanece amplamente opaco, mesmo com muitos setores da sociedade, da saúde ao setor bancário, dependendo cada vez mais dele.

"No momento, temos visibilidade limitada de como os principais provedores de nuvem implementam e evoluem sua infraestrutura", diz Lim. "Se os pesquisadores conseguirem entender como a nuvem moderna opera, poderão desenvolver novas abordagens que melhorem a segurança ou o desempenho."

Como parte de sua função como bolsista Lincoln, Lim também está explorando como seu trabalho se conecta à missão de segurança nacional do Laboratório Lincoln. Ele vislumbra diversas possibilidades.

Um dos programas do seu grupo está avaliando técnicas de reforço de segurança cibernética para  hipervisores , à medida que a nuvem assume um papel cada vez maior nos sistemas de defesa. "Introduzir a plataforma compatível com SR-IOV de Lim a este trabalho ajudaria a aproximar nossa pesquisa de como os ambientes de nuvem operam, demonstrando o impacto de nossas técnicas em ambientes realistas", afirma Nathan Burow, investigador principal do programa. Outro programa está examinando o que é necessário para implementar data centers de alto desempenho, um trabalho que poderia se basear diretamente na pesquisa de Lim sobre as tecnologias exigidas pelo SR-IOV.

Ou seu caminho pode levá-lo a algo novo. O laboratório destina verbas internas para investimentos técnicos — com o apoio do Gabinete do Subsecretário de Guerra para Pesquisa e Desenvolvimento — a projetos propostos pela equipe que atendam a necessidades emergentes. Lim está considerando uma proposta para levar o SR-IOV ao nível de sistemas embarcados, por exemplo, para drones ou satélites.

"Vimos como os provedores de nuvem migraram da virtualização tradicional para o SR-IOV para maximizar o desempenho, mantendo o isolamento", diz ele. "Eu me pergunto se podemos fazer o mesmo no nível embarcado, onde as restrições de energia e computação são ainda mais rigorosas. Eu adoraria concluir essa transição. Aprendi muito com a nuvem. Agora, podemos aplicar essas lições em outro lugar?"