基于MLC NVM的写能耗优化策略研究与设计

摘要

随着集成电路集成度的不断增加、工艺尺寸的不断微缩，静态功耗已经成为制约CMOS存储器技术发展的主要瓶颈。这一问题在动态随机存储器（DRAM）以及静态随机存储器（SRAM）上都十分突出。DRAM需要刷新操作来保持数据，所以其静态功耗占到整个DRAM功耗的40％以上。对于SRAM存储单元，如果想将数据持续保存在存储单元内，就需要持续对存储单元供电。
　　非易失性存储器（NVM），是其中一种作为解决传统存储技术所遇到的技术瓶颈而研究的新型存储技术，它的主要特点就是断电后数据依然可以保存在存储单元内。主流的非易失存储技术有相变存储器(PCM)和自旋转移矩磁存储器（STT-MRAM）等，它们具有高存储密度，高可靠性，非易失性等特点。而且PCM有着与DRAM相近的存取延迟，其在未来有可能代替DRAM成为主存储器;STT-MRAM有着略高于SRAM的存取延迟，近年来针对STT-MRAM的各项研究主要集中在其作为片上末级缓存的研究。
　　多级单元(MLC)就是在一个单元格中存储一个以上的bit，一般指存储两个。相较单级单元(SLC)，MLC可以有更高的存储密度。MLC NVM与SLC NVM在物理结构上并无本质区别，同样也几乎没有静态能耗，但是，却有着更高的动态能耗。本文针对MLC NVM动态写能耗过高的问题进行的优化。对于MLCPCM以及MLC STT-MRAM，翻转左位的平均能耗要比不翻转左位的平均能耗高很多，另外，写中间状态‘01’与‘10’的平均能耗要高于写‘00’与‘11’的平均能耗。
　　本文在已有的编码策略—状态重映射策略的基础上，进一步针对MLCPCM以及MLC STT-MRAM在写能耗方面的特性，对每次写入存储器中的数据进行分析，改进获得状态重映射方式的算法，从而获得更优的能耗优化结果。该策略通过统计每种状态转换的数量，并对每种状态转换赋予能耗权值，计算不同的状态重映射后数据的写入能耗与原始数据的写入能耗之间的差距，从中选取出能耗最优的重映射方式。
　　通过试验对比，我们发现，在MLC PCM的能耗模型下，本文策略相较基准写策略可以减少平均约6.17％的写能耗，在MLC STT-MRAM能耗模型下，可以减少平均约12.17％的写能耗。

目录

声明

摘要

1．1 背景介绍

1．2 研究现状

1．2．1 基于PCM的非易失性主存研究

1．2．2 基于STT-MRAM的非易失性片上缓存研究

1．3 研究意义

1．4 论文组织结构

2．1 相变存储器

2．1．1 单级单元相变存储器

2．1．2 多级单元相变存储器

2．1．3 多级单元相变存储器的读写

2．1．4 多级单元相变存储器的能耗模型

2．2 自旋转移矩磁存储器

2．2．1 单级单元自旋转移矩磁存储器

2．2．2 多级单元自旋转矩移磁存储器

2．2．3 多级单元自旋转矩移磁存储器的读写

2．2．4 多级单元自旋转矩移磁存储器的能耗模型

2．3 小结

第3章 状态重映射策略

3．1 动态状态重映射

3．2 静态状态重映射

3．4 获取Mapping Type算法

3．5 实例分析

3．6 硬件实现

3．7 小结

4．1 实验设置

4．2 MLC PCM能耗模型下的实验结果

4．2．1 写能耗

4．2．2 写次数统计

4．3 MLC STT-MRAM能耗模型下的实验结果

4．3．1 写能耗

4．3．2 写次数统计

4．4 改变Cache容量以及Cache line宽度时对本文策略的影响

4．4．1 改变Cache line宽度

4．4．2 改变Cache容量

4．5 小结

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

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