基于NVM的写操作优化策略研究与设计

摘要

为了缓和CPU到主存再到外存的速度差异，现有的存储架构一直延续最初的分层架构:cache、主存和外存从高到低，速度也从快到慢，但是，伴随着海量数据存储与大规模并行计算的应用场景越来越广泛，存储器性能亟待提升，无论是外存还是主存，从存储结构到存储介质都面临着新兴技术的挑战。外存方面，以NandFlash作为存储介质的SSD(Solid State Disk)已经取得了良好的战绩并在不断提升性能扩大战果;主存方面，生产领域不断的研究新的工艺来提升DRAM的存储密度，近几年来效果不佳;学术领域则将目光转向寻找新的存储介质来替代传统的DRAM。新兴的非易失性存储介质NVM(Non-VolatileMemo巧，如PCM-相变存储器[34]、STT-RAM-自旋存储器、FeRAM-铁电存储器等）具有很多吸引人的特性，如掉电非易失、高密度、可字节寻址、高抗冲击性、低能耗和出色的可扩展性。此外，NVM相比DRAM有着极低的空闲能耗而存储密度更高。因此，NVM越来越流行，在众多系统中都纷纷采用，它不仅可以作为辅存，也可以作为嵌入式系统的主存，而且有大量的技术已经提出利用NVM取代传统的DRAM作为计算机主存。
　　但是，NVM自身也有着两个明显的缺陷:1)NVM的写入/擦除周期数量有限（例如，相变存储器-PCM周期数只有109次）;2) NVM需要更长的写操作时间和更高的写操作能耗(例如，PCM的读操作时间为50ns，而写操作时间为200ns)。如果能够针对这些问题找到解决办法，对于NVM的推广将起着至关重要的影响。
　　为了解决这些问题，大量的研究工作致力于减少NVM的写操作，但是大多数技术在减少写操作的同时也增加了可观的额外消耗，在本文中，我们提出了MinFS，一种利用增加比特翻转标记和移位标记来最小化更新比特位数的NVM写策略。类似Flip-N-Write[13]和Min-Shift[33]，每个NVM写单元有一个额外的比特位翻转标志来记录该单元的相关的数据是否经过了翻转操作和几个移位标志来记录数据循环右移的位数。当一个写请求到达时，该MinFS策略首先计算新数据对应的所有可能的编码数据和读取旧的数据。然后，MinFS计算所有的编码数据和旧数据之间的海明距离，其中包括所使用的翻转标记位和移位标记位。拥有最小海明距离的编码数据被选为最优结果写入NVM单元。该方案可以找到所有要写数据和原始数据之间的最小距离以达到最大程度的减少更新的数据位数。MinFS通过付出读取、计算和比较的成本来找到拥有最少更新数据位的编码数据。我们开发了一个以跟踪数据文件为驱动的工具来评估我们提出的方案，我们使用了随机数据和基准程序两组实例。实验结果表明，MinFS方案相比Flip-N-Write和Min-Shift在平均更新数据位方面分别降低了8.2％和5.7％。
　　本篇论文从优化编码方式的角度出发提出了一种延长NVM使用寿命的策略，对于NVM的推广有着重要的现实意义，对于以后相关领域的理论研究有着借鉴意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 背景介绍

1．2 研究现状

1．2．1 NVM做辅存研究

1．2．2 NVM做主存研究

1．3 研究意义

1．4 论文组织结构

第2章 基于NVM主存的性能优化

2．1 基于NVM的主存架构

2．2 NVM性能优化策略介绍

2．2．1 基于NVM组织架构的优化

2．2．2 通过写操作的特性

2．2．3 通过对写入数据的重新编码

2．2．4 通过纠错机制

2．3 延长NVM使用周期策略

2．3．1 混合式主存管理

2．3．2 延迟回写策略

2．3．3 行级回写策略

2．4 小结

第3章 MinFS策略

3．1 MinFS策略主要思想

3．2 算法介绍

3．3 实倒分析

3．4 字长对翻转位数的影响

3．5 性能分析及对比

3．5．1 翻转数据实倒对比

3．5．2 翻转数据理论对比

3．5．3 开销分析

3．6 硬件实现

3．7 MinFS策略扩展

3．7．1 PCM特性简介

3．7．2 MinFS加快PCM写操作

3．7．3 MinFS优化PCM写能耗

3．8 小结

第4章 实验数据

4．1 实验设置

4．2 C#模拟器及内部实现

4．3 翻转位数对比

4．4 写操作时间对比

4．5 小结

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 课题展望

参考文献

致谢

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