高性能低功耗的新型混合结构主存研究

摘要

在计算机体系结构中，传统DRAM主存面临严重的功耗、性能、容量以及数据可靠性等问题。新型存储技术的出现以及新型存储材料的发展，为寻找可替代DRAM的存储器带来曙光。其中相变存储器（PCM）具有较高的存储密度，较低的静态功耗和非易失性等诸多优势。但是目前PCM在读写速度、读写功耗以及寿命等方面与DRAM还有较大差距，用PCM代替DRAM作为单一主存并不能达到较好的效果。因此，由DRAM和PCM共同构成的混合结构主存应运而生，其结合两者的优势实现系统功耗和性能的优化。目前对混合结构主存的研究多数是以PCM为主导，然而这些研究中仍存在一些不足，如大容量PCM成本较高、方案实现的硬件开销较大以及复杂度较高等。合理有效的混合结构主存能够结合两种存储器的优势，克服传统DRAM主存中的难题。因此，本文主要围绕传统DRAM面临的挑战，利用新型混合结构主存对其进行研究和优化。
　　本研究主要内容包括：⑴针对传统DRAM主存面临的刷新功耗问题，提出一种基于Refresh-Released Hybrid Memory（RRHM）的混合结构主存解决方案。通过合理划分和分配冷热页在混合结构的不同区域，使DRAM中的no refresh区域和PCM都无需刷新，有效减少刷新操作，从而降低了系统功耗。仿真结果表明，RRHM结构的总功耗平均下降了28.5％，其中刷新功耗降低了71.9%。⑵针对不同应用程序存在高低负载变化的需求，提出一种基于 Power Mode Switch（PMS）的混合结构主存解决方案。通过检测内存占用率以及访存频率的高低，自适应地切换不同的功耗模式，从而降低了系统功耗。模式切换过程是后台进行，所以不会影响系统性能。仿真结果表明，PMS结构的总功耗平均下降了30.2%，其中静态功耗降低了38.2%。⑶针对多速率刷新方案中 VRT/数据相关导致的数据错误问题，提出一种基于 Weak/Error Row Remap（WERR）的混合结构主存解决方案。通过将 DRAM中weak/error row重映射到PCM，有效解决数据错误问题。同时可以降低DRAM的刷新速率，从而达到降低功耗的目的。仿真结果表明，WERR结构的总功耗平均下降了20.3%，其中刷新功耗降低了61.6%。

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第一章 绪论

1.1研究背景

1.2混合主存的研究现状

1.3本文的研究动机及研究内容

1.4本文章节安排

第二章 混合主存仿真平台的建立及验证

2.1主流仿真平台分析

2.2 Gem5及DRAMSim2模拟器

2.3仿真平台的建立

2.4仿真平台的验证

2.5本章小结

第三章 Refresh-Released混合主存设计

3.1目前已有的降低DRAM刷新功耗的方案及分析

3.2本章提出的基于Refresh-Released的混合主存结构

3.3 RRHM结构效果评估

3.4本章小结

第四章 Power Mode Switch混合主存设计

4.1目前已有的Power Mode切换的方案

4.2本章提出的基于Power Mode Switch的混合主存结构

4.3 PMS混合内存结构中的优化方法

4.4 PMS结构与已有技术的对比

4.5本章小结

第五章 Weak/Error Row Remap混合主存设计

5.1多速率刷新方案中的问题

5.2已有的应对多速率刷新方案中Error Row的方案

5.3本章提出的基于Weak/Error Row Remap的混合主存结构

5.4与已有技术对比

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

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