PCM相变存储仿真器的研究与实现

摘要

相变存储器即PCM（Phase Change Memory），是一种非易失新型变阻存储器，通过存储单位处于不同的电阻态来记录零和一的数据信号。具有存储密度高、读写访问延迟低等特点。在擦写次数上存在限制，一般为109次。相变存储器被生产为符合内存标准的产品，其性能和动态随机访问存储器DRAM（Dynamic Random Access Memory）在一个数量级上，由于成本的原因，对PCM的内存应用的研究很有限，因此针对相变存储器内存系统级研究和分析需要使用仿真器，它可以模拟数据实际的存取行为，为内存系统研究提供原型设计和理论分析基础。
　　根据相变存储器设计结构与DRAM相似，其内部是将DRAM电容单元替换成相变材料单元的理论依据，对相变存储器进行了详细设计。分析DRAM的内部结构及读写原理，对PCM的读写机制进行深入研究为设定PCM的内部架构和行为提供原型参考；其次分析DRAMSim2的基本框架及运行机制，并区分PCM中与DRAM不同的行为特征，针对PCM的特性设计仿真PCM内存系统逻辑框架并实现其仿真器；最后结合硬件说明书中的时延参数，创建该产品的仿真模型进行仿真测试。通过对测试结果和硬件说明书上的性能参数指标进行对比验证仿真器的正确性。
　　通过调整参数空间完成对几组典型PCM器件的仿真测试，跟踪请求的下发及返回情况，统计并计算仿真内存系统的时延。对PCM的读操作以及写操作做以时钟周期为单位的模拟及性能测试。测试结果显示仿真PCM系统的存取时延平均为66ns，这与硬件说明书上说显示的63ns基本吻合，说明所设计的仿真器能客观反映器件性能，具有一定参考意义。

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1 绪 论

1.1 课题背景

1.2 PCM新型存储器

1.3 缺陷及补救方案

1.4 存储设备发展

1.5 本章小结

2 DRAMSim框架

2.1 DRAM读写操作

2.2 DRAMSim框架

2.3 DRAMSim仿真流程

2.4 本章小结

3 PCM仿真器框架设计

3.1 PCM仿真器层次

3.2 功能模块

3.3 PCM、DRAM行为对比

3.1 仿真器流程

3.2 本章小结

4 PCM仿真器实现

4.1 仿真器中数据结构

4.2 仿真PCM内部结构

4.3 PCM寻址

4.4 读写模式

4.5 状态转移

4.6 本章小结

5 性能测试及分析

5.1 测试环境

5.2 测试方法

5.3 仿真器测试结果及分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献