基于相變存儲(chǔ)器的混合主存緩沖區(qū)管理問題研究.pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心、高性能計(jì)算等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)規(guī)模呈現(xiàn)爆炸性的增長。由于數(shù)據(jù)應(yīng)用規(guī)模的增大，對(duì)于數(shù)據(jù)存取速度的要求也越來越高。磁盤作為傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，由于其機(jī)械尋道的特性，I/O速度很難提高，已難以滿足如今大規(guī)模數(shù)據(jù)存取的速度需求。為了解決這一問題，使用大容量主存來存放重要數(shù)據(jù)的思想被提出，并在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界受到了重視，這帶來了未來對(duì)大容量主存的迫切需求。然而，面對(duì)大容量主存需求的趨勢，傳統(tǒng)的主存存儲(chǔ)介質(zhì)DRA

2、M的缺陷，成為了制約大容量主存系統(tǒng)應(yīng)用的瓶頸。DRAM的存儲(chǔ)密度提升困難，單位存儲(chǔ)成本遠(yuǎn)高于磁盤和固態(tài)硬盤。此外，DRAM的能耗較高，且隨著DRAM容量的提升成比例增長。因此，使用DRAM構(gòu)建大容量主存系統(tǒng)，代價(jià)十分高昂。
　　相變存儲(chǔ)器(Phase Change memory，PCM)是一種使用硫族化合物作為存儲(chǔ)介質(zhì)的新型主存存儲(chǔ)技術(shù)，利用材料在不同狀態(tài)下的電阻差異來保存數(shù)據(jù)。相變存儲(chǔ)器具有以下特點(diǎn):無機(jī)械部件，可按位尋址，斷電

3、后數(shù)據(jù)不丟失，無空閑能耗，存儲(chǔ)密度大，讀寫速度快等。與DRAM相比，相變存儲(chǔ)器在非易失性、存儲(chǔ)密度和能耗方面具有很大的優(yōu)勢，被認(rèn)為是最有希望取代DRAM的下一代主存存儲(chǔ)介質(zhì)。因此，如何在現(xiàn)有計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)中使用相變存儲(chǔ)器成為了當(dāng)前學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)之一。
　　然而，相變存儲(chǔ)器也同樣存在著不足之處。首先，相變存儲(chǔ)器具有讀寫不對(duì)稱性，寫延遲約為DRAM的7到20倍;其次，相變存儲(chǔ)器存在耐久性問題，每個(gè)存儲(chǔ)單元的可擦寫次數(shù)有限。因此，現(xiàn)階

4、段難以直接使用相變存儲(chǔ)器取代DRAM。使用DRAM和相變存儲(chǔ)器作為同級(jí)主存，構(gòu)建相變存儲(chǔ)器＆DRAM的混合主存系統(tǒng)，同時(shí)利用DRAM的寫性能優(yōu)勢和相變存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量優(yōu)勢，被認(rèn)為是一種合理的解決方案。
　　由于混合主存架構(gòu)同時(shí)具有兩種性能不同的存儲(chǔ)介質(zhì)，傳統(tǒng)的基于DRAM主存的數(shù)據(jù)管理技術(shù)不適用于混合主存架構(gòu)。在這些數(shù)據(jù)管理技術(shù)當(dāng)中，緩沖區(qū)管理算法是一項(xiàng)至關(guān)重要的技術(shù)，直接影響了主存系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。在傳統(tǒng)的DRAM主存系統(tǒng)中，緩沖

5、區(qū)命中率是最重要的性能指標(biāo)，緩沖區(qū)管理算法主要關(guān)注如何提升命中率。然而對(duì)于混合主存系統(tǒng)，緩沖區(qū)管理算法不僅需要考慮命中率，還需要考慮如何在兩種不同的存儲(chǔ)介質(zhì)中分配和管理數(shù)據(jù)，以降低相變存儲(chǔ)器的寫負(fù)擔(dān)，提升混合主存系統(tǒng)的整體性能。
　　本論文針對(duì)以相變存儲(chǔ)器和DRAM作為同級(jí)主存的混合主存架構(gòu)環(huán)境下的緩沖區(qū)管理問題展開研究。論文圍繞著如何在保證緩沖區(qū)命中率的條件下降低相變存儲(chǔ)器寫次數(shù)這一核心問題，深入研究適用于混合主存架構(gòu)的緩沖區(qū)管

6、理算法，在傳統(tǒng)緩沖區(qū)管理算法的基礎(chǔ)上，提出了一系列可有效降低相變存儲(chǔ)器寫次數(shù)、提高混合主存系統(tǒng)整體性能的緩沖區(qū)管理算法。
　　論文首先介紹相交存儲(chǔ)器技術(shù)的研究背景和相關(guān)技術(shù)，從在現(xiàn)有計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)引入相變存儲(chǔ)器的方法和基于相變存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)管理技術(shù)這兩個(gè)方面，總結(jié)了當(dāng)前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)分析了現(xiàn)有的基于混合主存的緩沖區(qū)管理算法研究工作，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前研究工作中存在的緩沖區(qū)命中率下降和部分訪問模式下不能降低相變存儲(chǔ)器寫次數(shù)的問題，并指出產(chǎn)

7、生這些問題的原因。然后，本文以傳統(tǒng)的LRU緩沖區(qū)管理算法為基礎(chǔ)，根據(jù)混合主存環(huán)境的需求，改進(jìn)了LRU算法的頁面載入機(jī)制，在保證緩沖區(qū)命中率不變的前提下有效地降低了混合主存內(nèi)相變存儲(chǔ)器的寫次數(shù);隨后，本文提出了一個(gè)相變存儲(chǔ)器內(nèi)頁面寫熱度判斷機(jī)制和一個(gè)DRAM/相變存儲(chǔ)器間頁面交換機(jī)制，在不降低命中率的條件下有效地解決了相變存儲(chǔ)器內(nèi)頁面變?yōu)閷憻犴摰膯栴}，將該機(jī)制引入改進(jìn)了頁面載入的LRU算法，進(jìn)一步提升了算法性能;最后，本文分析了相變存儲(chǔ)器

8、上發(fā)生置換操作對(duì)相變存儲(chǔ)器造成的寫負(fù)擔(dān)，提出了一種考慮在DRAM/相變存儲(chǔ)器之間平衡頁面置換的緩沖區(qū)管理算法。
　　本論文的主要貢獻(xiàn)可歸納為以下幾個(gè)方面:
　　(1)提出了一種“置換時(shí)遷移頁面”的策略和采用該策略的基于LRU算法的混合主存緩沖區(qū)管理算法MHR-LRU。當(dāng)發(fā)生頁面置換時(shí)，MHR-LRU根據(jù)頁面請(qǐng)求類型通過相變存儲(chǔ)器與DRAM之間遷移頁面方法將被請(qǐng)求頁載入到合適的存儲(chǔ)介質(zhì)中，在保證命中率不變的同時(shí)減少了相變存儲(chǔ)器

9、由于載入頁面造成的寫操作次數(shù)和未來發(fā)生在相變存儲(chǔ)器上的寫操作次數(shù)，提升混合主存的整體性能。
　　(2)在MHR-LRU算法的基礎(chǔ)上，針對(duì)相變存儲(chǔ)器內(nèi)的頁面變?yōu)閷憻犴摰膯栴}，提出了一個(gè)采用DRAM/相變存儲(chǔ)器間頁面交換機(jī)制的改進(jìn)算法MWQ-LRU。MWQ-LRU算法綜合考慮了頁面的寫頻率和最近寫訪問時(shí)間判斷頁面是否為寫熱頁，并將相變存儲(chǔ)器內(nèi)被判斷為寫熱頁的頁面與DRAM中寫熱度低的頁面進(jìn)行交換。MWQ-LRU算法可以在保證命中率與L

10、RU算法相同的條件下，將寫熱頁盡可能地保存在DRAM中，進(jìn)一步降低相變存儲(chǔ)器的寫次數(shù)。
　　(3)針對(duì)現(xiàn)有的基于混合主存的緩沖區(qū)管理算法在讀操作密集的負(fù)載下不能有效減少相變存儲(chǔ)器寫負(fù)擔(dān)的問題，指出在讀操作密集的負(fù)載下相變存儲(chǔ)器的寫負(fù)擔(dān)主要來自于相變存儲(chǔ)器上發(fā)生的頁面置換，而現(xiàn)有工作沒有關(guān)注頁面置換對(duì)相變存儲(chǔ)器的影響，并提出了一個(gè)考慮頁面置換影響的混合主存緩沖區(qū)管理算法D-CLOCK。該算法能夠減少相變存儲(chǔ)器由于頁面置換操作造成的寫