高密度非易失內(nèi)存系統(tǒng)壽命和性能的提升方法研究.pdf

1、隨著應(yīng)用程序規(guī)模的擴(kuò)大，對(duì)內(nèi)存系統(tǒng)的容量需求不斷增加。傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（Dynamic Random Access Memory，DRAM）的擴(kuò)展性有限且刷新能耗高，難以滿足未來(lái)應(yīng)用程序的需求。新型非易失存儲(chǔ)器（Non-Volatile Memory，NVM），例如相變存儲(chǔ)器和阻變存儲(chǔ)器，具有大容量、高性能和低功耗等優(yōu)點(diǎn)，有潛力取代DRAM成為下一代內(nèi)存的主要存儲(chǔ)介質(zhì)。然而，有限的耐久性缺陷（即每個(gè)存儲(chǔ)單元寫(xiě)到一定次數(shù)后就會(huì)被磨穿）和

2、長(zhǎng)的寫(xiě)延時(shí)弱點(diǎn)成為制約NVM應(yīng)用的主要障礙。
　　隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，多層單元和低制程工藝技術(shù)廣泛地應(yīng)用于NVM存儲(chǔ)器，分別用來(lái)增加每個(gè)存儲(chǔ)單元的位數(shù)和提高存儲(chǔ)芯片的集成密度，從而大量地增加設(shè)備的容量并且降低制造成本。然而，新技術(shù)導(dǎo)致存儲(chǔ)單元的耐久性下降和每個(gè)單元的耐久性不均勻分布等問(wèn)題，進(jìn)一步惡化了NVM系統(tǒng)的壽命問(wèn)題。為了緩解壽命問(wèn)題，NVM系統(tǒng)廣泛使用磨損均衡技術(shù)。磨損均衡致力于把上層不均勻的寫(xiě)訪問(wèn)通過(guò)調(diào)度均勻地寫(xiě)入到底層N

3、VM單元中，從而不致出現(xiàn)某個(gè)單元快速磨穿并達(dá)到提升NVM系統(tǒng)壽命的目的。然而，經(jīng)過(guò)深入分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的磨損均衡算法均不適用于耐久性下降的多層單元NVM系統(tǒng)和耐久性不均勻的低制程N(yùn)VM系統(tǒng)。
　　針對(duì)多層單元NVM系統(tǒng)的壽命問(wèn)題，提出了一種基于分層存儲(chǔ)的自適應(yīng)磨損均衡算法（SAWL）。在存儲(chǔ)單元的耐久性降低時(shí)，磨損均衡算法必須大量降低磨損均衡的粒度（例如區(qū)域大?。詼p輕每個(gè)區(qū)域內(nèi)部的不平衡寫(xiě)入，這顯著增加了地址映射表的大小。由于內(nèi)

4、存控制器中SRAM高速緩存的容量限制，內(nèi)存系統(tǒng)必須將整個(gè)映射表存儲(chǔ)在NVM設(shè)備上，映射表的查找導(dǎo)致非常長(zhǎng)的地址轉(zhuǎn)換延時(shí)。為了解決該問(wèn)題，SAWL使用了一種新穎的分層存儲(chǔ)架構(gòu)，將完整的地址映射表存儲(chǔ)在主存儲(chǔ)器（DRAM或者NVM），利用小容量的SRAM來(lái)緩存最近使用的映射條目，從而允許降低磨損均衡粒度來(lái)提升多層單元NVM系統(tǒng)壽命。為了提高SRAM緩存的命中率并且緩解磨損均衡導(dǎo)致的性能下降，SAWL根據(jù)負(fù)載的特征動(dòng)態(tài)地調(diào)整磨損均衡的粒度，使

5、得SRAM緩存能夠容納更多的地址條目。測(cè)試結(jié)果表明，SAWL可使多層單元NVM系統(tǒng)壽命達(dá)到最大壽命的93％，僅導(dǎo)致5%的IPC性能下降。
　　針對(duì)低制程N(yùn)VM系統(tǒng)的壽命問(wèn)題，提出了一種加權(quán)代數(shù)磨損均衡算法（WAWL）。傳統(tǒng)的磨損均衡算法盡可能地均勻分布寫(xiě)操作，導(dǎo)致耐久性較低的存儲(chǔ)單元被提前磨穿，因此WAWL通過(guò)平衡不同存儲(chǔ)單元的磨損率（寫(xiě)入次數(shù)/耐久性）來(lái)提升NVM系統(tǒng)壽命。WAWL把整個(gè)內(nèi)存空間劃分為多個(gè)區(qū)域，相同耐久性的存儲(chǔ)單

6、元聚合在一個(gè)區(qū)域，當(dāng)一個(gè)區(qū)域的寫(xiě)入次數(shù)達(dá)到交換閾值（即交換間隔）時(shí)，使用加權(quán)隨機(jī)選擇算法選擇一個(gè)區(qū)域與之交換，并且同時(shí)改變區(qū)域內(nèi)部?jī)?nèi)存行的相對(duì)位置。通過(guò)實(shí)驗(yàn)探測(cè)合適的交換間隔和選擇概率，WAWL以動(dòng)態(tài)隨機(jī)的方式在整個(gè)存儲(chǔ)器上實(shí)現(xiàn)均勻的磨損率分布并且可以抵擋針對(duì)內(nèi)存系統(tǒng)的惡意攻擊。測(cè)試結(jié)果表明，在惡意攻擊程序和真實(shí)應(yīng)用程序下，WAWL方法可使低制程N(yùn)VM系統(tǒng)壽命分別達(dá)到最大壽命的66%和83%。
　　考慮到較長(zhǎng)的寫(xiě)延時(shí)和磨損均衡帶來(lái)

7、的交換開(kāi)銷降低NVM性能，提出了一種新穎的寫(xiě)優(yōu)先重疊服務(wù)讀請(qǐng)求調(diào)度策略（WPoR）。在新型多分區(qū)結(jié)構(gòu)的NVM存儲(chǔ)器中，一個(gè)存儲(chǔ)體內(nèi)的不同分區(qū)在一定限制條件下可以實(shí)現(xiàn)并行操作。傳統(tǒng)的調(diào)度方案未能利用多個(gè)分區(qū)并行的優(yōu)點(diǎn)，導(dǎo)致低效的分區(qū)利用效率。為了解決該問(wèn)題，WPoR改變隊(duì)列請(qǐng)求的執(zhí)行順序，優(yōu)先服務(wù)一個(gè)分區(qū)的寫(xiě)入請(qǐng)求，在冗長(zhǎng)的寫(xiě)操作的內(nèi)部執(zhí)行階段并行執(zhí)行其他分區(qū)的讀請(qǐng)求，從而提升內(nèi)存系統(tǒng)的吞吐率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，WPoR比現(xiàn)有的調(diào)度策略能夠獲