存儲類內存模擬器的設計與實現(xiàn).pdf

1、存儲類內存從08年IBM提出以來，越來越受到科學研究領域和存儲設備生產(chǎn)廠商的關注。存儲類內存具有低功耗，非易失，存儲密度大，每位價格低的特性，研究人員預測，存儲類內存將成為未來的主要存儲設備，同時將對計算機科學的多個研究領域帶來變革。
　　目前以超級計算機為代表的高性能計算機發(fā)展有三大主要趨勢，一是系統(tǒng)計算速度不斷增大，二是系統(tǒng)能耗進一步提升，三是系統(tǒng)可靠性不斷下降。
　　隨著計算機核心數(shù)目不斷增加，越來越多的計算核心要求系

2、統(tǒng)有更高的散熱性能，這進一步提高了系統(tǒng)的功耗。而由于系統(tǒng)運算能力提升，要求更高的I/O能力來提供計算所需的數(shù)據(jù)，如果采用傳統(tǒng)存儲介質，不僅存在需要更多磁盤的問題，而且由于磁盤數(shù)目的增多，磁盤的帶電功耗將帶了新一輪的功耗上升。新型存儲類內存具有低功耗，高存儲密度，低每位價格的特性，同時無帶電功耗，可以很好解決高功耗問題。
　　還要注意到的是，隨著計算機系統(tǒng)核心數(shù)目增加，系統(tǒng)的可靠性也不斷下降，目前大規(guī)模系統(tǒng)的MTBF都在小時級別。而

3、很多大規(guī)模應用所需的執(zhí)行時間往往超過這個時間，目前大規(guī)模應用應對這個問題采用的檢查點重啟方法，但是檢查點重啟方法的可擴展性非常有限，隨著系統(tǒng)規(guī)模擴大，檢查點重啟容錯帶來的開銷呈指數(shù)增長，100,000個計算節(jié)點的超級計算機中，只有35％的時間用于計算，而剩余65%的時間將用于檢查點操作。新型存儲類內存的出現(xiàn)解決了這個問題，由于存儲類內存的非易失特性，當應用運行在存儲類內存上時，如果系統(tǒng)其它部件發(fā)生錯誤導致系統(tǒng)崩潰，應用存儲在存儲類內存上

4、的數(shù)據(jù)不會丟失，可以在系統(tǒng)重啟時繼續(xù)上次程序的執(zhí)行。這樣就很好的解決了系統(tǒng)可靠性問題。
　　綜上所述，存儲類內存的出現(xiàn)能夠很好的克服在計算機系統(tǒng)性能不斷提升過程中遇到的高功耗和可靠性瓶頸，而要達到上面所分析的目的，必須通過系統(tǒng)研究者將存儲類內存很好的結合進入目前的計算機系統(tǒng)，尤其在軟件層次，目前系統(tǒng)中的軟件棧都是面向易失內存和非易失的磁盤存儲設計的，而沒有能夠充分利用新型存儲類內存的特性。系統(tǒng)開發(fā)者迫切需要針對存儲類內存重新設計軟

5、件棧，而目前市場上沒有存儲類內存的樣片，這阻礙了新型存儲類主存的研究。使得開發(fā)者被迫采用少數(shù)科研機構發(fā)布的靜態(tài)數(shù)據(jù)結合采用其他類型的模擬器進行研究。然而這樣的靜態(tài)數(shù)據(jù)結合其他模擬器并不能夠真實模擬系統(tǒng)運行中的訪存軌跡，并且不能夠支持在模擬的同時對軟件層次的調試工作。
　　為了解決上面提到的問題，通過分析實際軟件調試中需要用到的存儲類內存特性，我們設計了存儲類內存模擬器SCM-BSIM，在支持模擬存儲類內存的同時支持全系統(tǒng)模擬，為存

6、儲類內存相關的系統(tǒng)軟件開發(fā)提供了支持。在這個基礎上，我們針對K-means算法的具體應用，利用存儲類內存進行容錯，并測試了算法的容錯性能。
　　具體內容如下:
　?。?）研究分析了傳統(tǒng)存儲介質未來的發(fā)展趨勢，將磁盤和flash與新型存儲類內存進行了對比，同時對存儲類內存的不同實現(xiàn)技術進行了研究，對目前學術界對存儲類內存的研究現(xiàn)狀以體系結構層次為劃分做出了總結。
　?。?）針對目前存儲類內存相關系統(tǒng)軟件的研究困難，我們設

7、計實現(xiàn)了存儲類內存模擬器，對存儲類內存的非易失性，讀寫訪問特性，以及有限耐久度特性進行了模擬。
　?。?）針對存儲類內存模擬器的性能問題進行優(yōu)化和分析，針對數(shù)據(jù)同步性能開銷過大的問題，首先我們通過改變數(shù)據(jù)同步時機，減少了讀操作時的同步開銷，將系統(tǒng)性能提升近50%，其次我們通過對不同同步方法的測試實驗，選用內存映射方式進行同步，減小性能開銷，第三，為減小每次同步時都需要內存映射的開銷，我們在啟動時將客戶系統(tǒng)內存指向我們內存副本內存映