基于程序訪存模式的存儲系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究.pdf

1、半導(dǎo)體技術(shù)的進步和應(yīng)用對計算能力的需求推動著計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展。計算機系統(tǒng)計算的數(shù)據(jù)和指令皆來自于存儲系統(tǒng)，存儲系統(tǒng)在計算性能中扮演了極其重要的角色。作為對不斷提升的計算能力的配合和支持，現(xiàn)有的存儲層次系統(tǒng)，無論是片上緩存還是片外內(nèi)存，其組織結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，其容量也變得越來越大。導(dǎo)致的結(jié)果是存儲層次系統(tǒng)的能耗在整個計算機系統(tǒng)中所占的份額也越來越大。能耗問題會成為目前計算機系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵因素。因此如何降低存儲層次的功耗，尤其是片上

2、緩存和片外內(nèi)存的能耗，成為研究者普遍關(guān)心的一個重要問題。
　　目前存儲系統(tǒng)低功耗研究主要焦點在緩存和內(nèi)存，因為兩者能耗在整個存儲層次系統(tǒng)中最顯著。當(dāng)前的內(nèi)存節(jié)能技術(shù)為充分發(fā)揮器件自帶的硬件節(jié)能支持，包括內(nèi)存分塊和低功耗狀態(tài)兩種技術(shù)，通過軟硬件結(jié)合的技術(shù)節(jié)能。另外，新型非易失性存儲器由于其靜態(tài)能耗低、密度大等特點，被考慮作為低功耗存儲系統(tǒng)的實現(xiàn)。例如現(xiàn)有的PCM/DRAM混合內(nèi)存系統(tǒng)就是整合兩種器件優(yōu)點的設(shè)計，以及基于STT-RAM

3、的非易失性緩存。上述技術(shù)都關(guān)注于器件能力的挖掘，而忽視了器件對程序行為的適配，因此不能完美發(fā)揮軟硬件協(xié)同的優(yōu)勢。
　　本文從程序訪存行為入手，分析了訪存模式的三方面因素:應(yīng)用程序?qū)?nèi)存塊的訪問行為、應(yīng)用程序?qū)彺鎵K的寫行為以及應(yīng)用程序中物理頁的寫行為。基于這些訪存模式，結(jié)合現(xiàn)有的存儲低功耗技術(shù)，本文提出了基于程序訪存模式的存儲系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)，主要從以下三個方面進行了研究:
　　1、本文通過追蹤程序訪問的物理頁的地址，建立了程序

4、數(shù)據(jù)到內(nèi)存分塊的映射模型;基于該模型，本文抽象出程序執(zhí)行順序?qū)τ趦?nèi)存塊節(jié)能的問題，并且采用網(wǎng)絡(luò)流技術(shù)對該問題進行解答;進一步考察了多核上來自不同處理器的程序運行對內(nèi)存塊節(jié)能的影響，對該問題進行抽象建模;對于雙核系統(tǒng)，本文提出該問題的最優(yōu)算法解;當(dāng)其中的處理器數(shù)目超過兩個時，該問題屬于NP難問題，本文提出兩個相應(yīng)的啟發(fā)式算法。
　　2、本文研究了程序?qū)彺娴膶懺L問，發(fā)現(xiàn)對緩存塊的寫操作具有集中性;基于該模式，本文提出了選擇性的寫前讀

5、機制，對緩存中的臟字數(shù)據(jù)進行追蹤和標示，利用這些標示信息在緩存塊寫回操作時只對緩存塊中的臟區(qū)域觸發(fā)寫前讀操作;對于多級STT-RAM緩存寫能耗更大的特點，本文研究了數(shù)據(jù)在多級STT-RAM緩存本地進行寫更新以及在SRAM中進行寫更新的能耗的差別，提出了伴隨寫緩存結(jié)構(gòu)和對應(yīng)的機制，將能耗高的寫更新操作遷移到伴隨寫緩存中，從而達到節(jié)能目的。
　　3、本文研究了程序?qū)ξ锢眄摰膶懺L問，發(fā)現(xiàn)對物理頁的兩種基本寫模式;基于上述寫模式，本文提出

6、了具有可變遷移粒度的自適應(yīng)數(shù)據(jù)遷移策略，可以識別出當(dāng)前物理頁的寫模式，并且采用適合當(dāng)前物理頁的遷移粒度將PCM中的數(shù)據(jù)遷移至DRAM，減小遷移代價的同時，發(fā)揮DRAM寫能耗低的特點;在上述的混合內(nèi)存管理機制下，本文還提出了一種局部刷新的策略，其基本思想是利用遷移模塊中的相關(guān)信息，對DRAM中的每個數(shù)據(jù)刷新單元中的數(shù)據(jù)有效性作標示，從而只對其中的有效數(shù)據(jù)進行刷新操作，降低數(shù)據(jù)刷新能耗。
　　最后，本文基于實際的硬件平臺PandaBo

7、ard和全系統(tǒng)模擬器gem5以及其他的工具如SESC和CACTI，采用實際測量和軟件模擬相結(jié)合的實驗方法，對上述提出的創(chuàng)新和技術(shù)進行了實驗驗證和測試。實驗結(jié)果表明本文中提出的機制和結(jié)構(gòu)可以比現(xiàn)有的技術(shù)進一步降低緩存和內(nèi)存的寫能耗和靜態(tài)能耗。
　　本文通過對程序訪存模式，具體包括應(yīng)用程序?qū)?nèi)存塊的訪問行為、應(yīng)用程序?qū)彺鎵K的寫行為以及應(yīng)用程序中物理頁的寫行為的研究，結(jié)合現(xiàn)有存儲器件的節(jié)能硬件支持，實現(xiàn)了訪存模式指導(dǎo)下對現(xiàn)有存儲器件節(jié)