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，對內(nèi)存系統(tǒng)的容量需求不斷增加。傳統(tǒng)動態(tài)隨機(jī)存儲器（Dynamic Random Access Memory，DRAM）的擴(kuò)展性有限且刷新能耗高，難以滿足未來應(yīng)用程序的需求。新型非易失存儲器（Non-Volatile Memory，NVM），例如相變存儲器和阻變存儲器，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)存的主要存儲介質(zhì)。然而，有限的耐久性缺陷（即每個存儲單元寫到一定次數(shù)后就會被磨穿）和

2、長的寫延時弱點(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存儲器，分別用來增加每個存儲單元的位數(shù)和提高存儲芯片的集成密度，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)致存儲單元的耐久性下降和每個單元的耐久性不均勻分布等問題，進(jìn)一步惡化了NVM系統(tǒng)的壽命問題。為了緩解壽命問題，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訪問通過調(diào)度均勻地寫入到底層N

3、VM單元中，從而不致出現(xiàn)某個單元快速磨穿并達(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)。
　　針對多層單元NVM系統(tǒng)的壽命問題，提出了一種基于分層存儲的自適應(yīng)磨損均衡算法（SAWL）。在存儲單元的耐久性降低時，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輕每個區(qū)域內(nèi)部的不平衡寫入，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)必須將整個映射表存儲在NVM設(shè)備上，映射表的查找導(dǎo)致非常長的地址轉(zhuǎn)換延時。為了解決該問題，SAWL使用了一種新穎的分層存儲架構(gòu)，將完整的地址映射表存儲在主存儲器（DRAM或者NVM），利用小容量的SRAM來緩存最近使用的映射條目，從而允許降低磨損均衡粒度來提升多層單元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。
　　針對低制程N(yùn)VM系統(tǒng)的壽命問題，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操作，導(dǎo)致耐久性較低的存儲單元被提前磨穿，因此WAWL通過平衡不同存儲單元的磨損率（寫入次數(shù)/耐久性）來提升NVM系統(tǒng)壽命。WAWL把整個內(nèi)存空間劃分為多個區(qū)域，相同耐久性的存儲單

6、元聚合在一個區(qū)域，當(dāng)一個區(qū)域的寫入次數(shù)達(dá)到交換閾值（即交換間隔）時，使用加權(quán)隨機(jī)選擇算法選擇一個區(qū)域與之交換，并且同時改變區(qū)域內(nèi)部內(nèi)存行的相對位置。通過實(shí)驗(yàn)探測合適的交換間隔和選擇概率，WAWL以動態(tài)隨機(jī)的方式在整個存儲器上實(shí)現(xiàn)均勻的磨損率分布并且可以抵擋針對內(nèi)存系統(tǒng)的惡意攻擊。測試結(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%。
　　考慮到較長的寫延時和磨損均衡帶來

7、的交換開銷降低NVM性能，提出了一種新穎的寫優(yōu)先重疊服務(wù)讀請求調(diào)度策略（WPoR）。在新型多分區(qū)結(jié)構(gòu)的NVM存儲器中，一個存儲體內(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。為了解決該問題，WPoR改變隊(duì)列請求的執(zhí)行順序，優(yōu)先服務(wù)一個分區(qū)的寫入請求，在冗長的寫操作的內(nèi)部執(zhí)行階段并行執(zhí)行其他分區(qū)的讀請求，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