基于新型非易失存儲(chǔ)器件的存儲(chǔ)體系若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、在現(xiàn)有存儲(chǔ)體系中，作為外部存儲(chǔ)的磁盤已不適應(yīng)計(jì)算機(jī)對(duì)IO性能越來越高的要求，基于DRAM和SRAM的內(nèi)存和緩存也面臨功耗和容量擴(kuò)展的問題，存儲(chǔ)體系對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體性能的制約越來越突出。
　　新型非易失存儲(chǔ)器件，在緩存、內(nèi)存和硬盤層面為計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)體系的發(fā)展帶來了新的契機(jī)，但仍然存在諸多缺陷。閃存（NAND FLASH Memory）、自旋矩傳輸磁存儲(chǔ)器（STT-RAM，Spin-Torque Transfer RAM）、相變存儲(chǔ)器（

2、PCM，Phase Change Memory）和阻變存儲(chǔ)器（RRAM，Resistor RAM）等，相比于DRAM和SRAM等傳統(tǒng)存儲(chǔ)器，具有更高的集成度、更低的靜態(tài)功耗和非易失性等優(yōu)勢。STT-RAM能提供比傳統(tǒng)SRAM更高的存儲(chǔ)密度和更低的靜態(tài)功耗，卻存在寫延遲較高的問題。PCM能提供比傳統(tǒng)DRAM更高的容量可擴(kuò)展性，卻存在寫次數(shù)有限、讀寫性能不一致等問題?；陂W存的固態(tài)硬盤(SSD，Solid State Disk)也存在隨機(jī)寫

3、入性能惡化和壽命損耗嚴(yán)重的問題。
　　本文從緩存、內(nèi)存和固態(tài)硬盤三個(gè)層面，開展基于新型非易失存儲(chǔ)器件的存儲(chǔ)體系若干關(guān)鍵技術(shù)研究。
　　在CPU緩存層面，提出了一種串并混合架構(gòu)三值型STT-RAM，設(shè)計(jì)了其存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)、讀取邏輯和寫入邏輯，并從理論上證明該三值型STT-RAM與單值型STT-RAM相比存儲(chǔ)密度增加。基于這一設(shè)計(jì)，提出了緩存分級(jí)映射方法和不同級(jí)別頁面交換方法，實(shí)現(xiàn)了基于三值型STT-RAM的緩存。仿真表明，與基于

4、單值型和雙值型STT-RAM的緩存相比，本文方法在提高緩存容量的同時(shí)，提升了性能并降低了能耗。
　　在內(nèi)存層面，提出了一種基于分頁映射的反補(bǔ)機(jī)制和耦合讀取方法，通過提高相關(guān)奇偶頁面的命中率，降低對(duì)PCM內(nèi)存的讀寫操作復(fù)雜度并減少存儲(chǔ)器寫入次數(shù)，從而降低雙值型PCM的讀寫延時(shí)和能耗。仿真表明，本文方法減少了PCM內(nèi)存寫入次數(shù)，降低了訪問延時(shí)和能耗，提高了性能。
　　在硬盤層面，提出了一種緩存頁級(jí)映射閃存轉(zhuǎn)換層算法（CP-FTL