基于新型非易失存储的混合内存数据页交换算法研究

摘要

动态随机存储器（Dynamic Random Access Memory,简称DRAM）因其超高的读写性能而被广泛应用在各种计算设备中。但DRAM受到存储密度和能耗的限制，容量难以进一步扩展。相比于 DRAM，新型非易失性存储器（Non-volatile Memory, 简称NVM）存储密度更高、静态功耗几乎为零，具备替代DRAM作为内存的潜力。但NVM也有写性能差、读写性能不均衡等缺陷。因此，使用DRAM和NVM构建混合内存是一种可以结合两者优点的可行方案。为了充分利用混合内存异构硬件特性，克服NVM性能缺陷，可以通过数据页交换将频繁访问的热数据迁移到DRAM中。然而，现有混合内存数据页交换算法都采用DRAM和NVM分离的冷热数据识别机制，会导致无效的数据页交换，影响混合内存整体性能。针对以上问题，本文做了以下工作：　　①本文对已有的混合内存数据页交换算法研究做了详尽的介绍和分析，并阐述了现有混合内存数据页交换算法中存在的两个主要问题：因为数据冷热判断不准确而引入的无效数据页交换问题和频繁的数据页交换引入的额外的 NVM 写操作问题。　　②针对无效数据页交换问题，本文提出了一个基于全局统一冷热数据识别机制的数据页交换方法（简称UIMigrate）。UIMigrate的重点在于DRAM和NVM中数据冷热的对比和数据页交换收益的衡量。该方法主要包括两个方面：第一，通过全局统一冷热识别机制来减少无效的数据页交换，以提高混合内存性能；第二，通过基于数据页交换收益的动态调整机制实时调整相关阈值，以适应不断变化的内存访问特征和多种多样的负载。　　③针对额外NVM写操作问题，本文提出了一个基于NVM非易失性的细粒度数据页写回策略（简称LazyWriteback）。当DRAM中数据页被交换回NVM中时， LazyWriteback可以重用NVM帧中部分未被重写的旧数据，消除部分额外的NVM写操作，从而提高混合内存系统性能，减少NVM内存磨损。　　本文选取SPEC CPU中典型的十二个负载对上述方法和策略进行实验和评估。结果表明，相比于已有的CLOCK-DWF、Double LRU等已有研究，UIMigrate可以有效的减少混合内存中无效的数据页交换。混合内存性能提升最高可达 90%。此外，在 DRAM 内存较小，负载内存访问稀疏时，LazyWriteback 最高可以减少75%的由于数据页交换而引入的NVM写操作。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 新兴非易失存储

1.3 国内外研究现状

1.3.1 NVM持久性存储

1.3.2 NVM混合内存研究

1.4 研究内容

1.5 文章结构

2 混合内存研究

2.1 经典混合内存数据页交换算法

2.2.1 问题阐述

2.2.2 数据分析

2.3.1 问题阐述

2.3.2 数据分析

2.4 本章小结

3 混合内存数据页交换算法研究

3.1 数据冷热识别

3.2 数据页交换

3.2.1 外存新数据页

3.2.2 NVM热数据页

3.3 动态调整机制

3.3.1 数据页交换收益

3.3.2 阈值调整

3.4 本章小结

4 数据页写回策略研究

4.1 元数据管理

4.1.1 脏数据标记

4.1.2 内存帧重用

4.2 细粒度数据写回策略

4.2.1 数据页换入DRAM

4.2.2 数据页换入NVM

4.3 本章小结

5 实验结果及分析

5.1 实验环境

5.2 实验方法

5.3 实验分析

5.3.1 页交换次数

5.3.2 混合内存延迟

5.3.3 混合内存能耗

5.3.4 写回策略评价

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 内容总结

6.2 未来展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目

C. 作者在攻读学位期间申请的专利

D. 学位论文数据集

致谢