基于相变存储器的混合主存缓冲区管理问题研究

摘要

随着计算机技术的高速发展，当前网络、数据中心、高性能计算等领域的数据规模呈现爆炸性的增长。由于数据应用规模的增大，对于数据存取速度的要求也越来越高。磁盘作为传统的数据存储介质，由于其机械寻道的特性，I/O速度很难提高，已难以满足如今大规模数据存取的速度需求。为了解决这一问题，使用大容量主存来存放重要数据的思想被提出，并在学术界和工业界受到了重视，这带来了未来对大容量主存的迫切需求。然而，面对大容量主存需求的趋势，传统的主存存储介质DRAM的缺陷，成为了制约大容量主存系统应用的瓶颈。DRAM的存储密度提升困难，单位存储成本远高于磁盘和固态硬盘。此外，DRAM的能耗较高，且随着DRAM容量的提升成比例增长。因此，使用DRAM构建大容量主存系统，代价十分高昂。
　　相变存储器(Phase Change memory，PCM)是一种使用硫族化合物作为存储介质的新型主存存储技术，利用材料在不同状态下的电阻差异来保存数据。相变存储器具有以下特点:无机械部件，可按位寻址，断电后数据不丢失，无空闲能耗，存储密度大，读写速度快等。与DRAM相比，相变存储器在非易失性、存储密度和能耗方面具有很大的优势，被认为是最有希望取代DRAM的下一代主存存储介质。因此，如何在现有计算机体系架构中使用相变存储器成为了当前学术界研究的热点之一。
　　然而，相变存储器也同样存在着不足之处。首先，相变存储器具有读写不对称性，写延迟约为DRAM的7到20倍;其次，相变存储器存在耐久性问题，每个存储单元的可擦写次数有限。因此，现阶段难以直接使用相变存储器取代DRAM。使用DRAM和相变存储器作为同级主存，构建相变存储器＆DRAM的混合主存系统，同时利用DRAM的写性能优势和相变存储器的存储容量优势，被认为是一种合理的解决方案。
　　由于混合主存架构同时具有两种性能不同的存储介质，传统的基于DRAM主存的数据管理技术不适用于混合主存架构。在这些数据管理技术当中，缓冲区管理算法是一项至关重要的技术，直接影响了主存系统的性能表现。在传统的DRAM主存系统中，缓冲区命中率是最重要的性能指标，缓冲区管理算法主要关注如何提升命中率。然而对于混合主存系统，缓冲区管理算法不仅需要考虑命中率，还需要考虑如何在两种不同的存储介质中分配和管理数据，以降低相变存储器的写负担，提升混合主存系统的整体性能。
　　本论文针对以相变存储器和DRAM作为同级主存的混合主存架构环境下的缓冲区管理问题展开研究。论文围绕着如何在保证缓冲区命中率的条件下降低相变存储器写次数这一核心问题，深入研究适用于混合主存架构的缓冲区管理算法，在传统缓冲区管理算法的基础上，提出了一系列可有效降低相变存储器写次数、提高混合主存系统整体性能的缓冲区管理算法。
　　论文首先介绍相交存储器技术的研究背景和相关技术，从在现有计算机体系结构引入相变存储器的方法和基于相变存储器的数据管理技术这两个方面，总结了当前国内外研究现状，重点分析了现有的基于混合主存的缓冲区管理算法研究工作，发现当前研究工作中存在的缓冲区命中率下降和部分访问模式下不能降低相变存储器写次数的问题，并指出产生这些问题的原因。然后，本文以传统的LRU缓冲区管理算法为基础，根据混合主存环境的需求，改进了LRU算法的页面载入机制，在保证缓冲区命中率不变的前提下有效地降低了混合主存内相变存储器的写次数;随后，本文提出了一个相变存储器内页面写热度判断机制和一个DRAM/相变存储器间页面交换机制，在不降低命中率的条件下有效地解决了相变存储器内页面变为写热页的问题，将该机制引入改进了页面载入的LRU算法，进一步提升了算法性能;最后，本文分析了相变存储器上发生置换操作对相变存储器造成的写负担，提出了一种考虑在DRAM/相变存储器之间平衡页面置换的缓冲区管理算法。
　　本论文的主要贡献可归纳为以下几个方面:
　　(1)提出了一种“置换时迁移页面”的策略和采用该策略的基于LRU算法的混合主存缓冲区管理算法MHR-LRU。当发生页面置换时，MHR-LRU根据页面请求类型通过相变存储器与DRAM之间迁移页面方法将被请求页载入到合适的存储介质中，在保证命中率不变的同时减少了相变存储器由于载入页面造成的写操作次数和未来发生在相变存储器上的写操作次数，提升混合主存的整体性能。
　　(2)在MHR-LRU算法的基础上，针对相变存储器内的页面变为写热页的问题，提出了一个采用DRAM/相变存储器间页面交换机制的改进算法MWQ-LRU。MWQ-LRU算法综合考虑了页面的写频率和最近写访问时间判断页面是否为写热页，并将相变存储器内被判断为写热页的页面与DRAM中写热度低的页面进行交换。MWQ-LRU算法可以在保证命中率与LRU算法相同的条件下，将写热页尽可能地保存在DRAM中，进一步降低相变存储器的写次数。
　　(3)针对现有的基于混合主存的缓冲区管理算法在读操作密集的负载下不能有效减少相变存储器写负担的问题，指出在读操作密集的负载下相变存储器的写负担主要来自于相变存储器上发生的页面置换，而现有工作没有关注页面置换对相变存储器的影响，并提出了一个考虑页面置换影响的混合主存缓冲区管理算法D-CLOCK。该算法能够减少相变存储器由于页面置换操作造成的写负担并保持命中率，在读密集负载下能够有效降低相变存储器的写次数。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 相变存储器

1．2．1 新型主存技术的需求

1．2．2 相变存储器的构成与特性

1．2．3 相变存储器的研发进展

1．3 相变存储器的主存架构相关研究

1．3．1 相变存储器的主存架构形式

1．3．2 基于混合主存的缓冲区管理算法

1．4 本文的工作

1．4．1 研究意义

1．4．2 研究内容

1．5 本文的组织结构

第2章 改进页面载入机制的混合主存缓冲区管理算法

2．1 引言

2．2 相关工作

2．2．1 传统缓冲区置换算法

2．2．2 基于混合主存的缓冲区置换算法

2．2．3 现有工作的问题

2．3 一种改进页面载入机制的混合主存缓冲区管理算法

2．3．1 “置换时迁移’’页面迁移策略

2．3．2 LRU算法的页面载入机制改进

2．3．3 保证命中率的混合主存缓冲区管理算法MHR-LRU

2．4 算法性能测试

2．4．1 实验设置

2．4．2 缓冲区命中率

2．4．3 相变存储器写次数

2．5 本章小结

第3章 基于页面交换机制的混合主存缓冲区管理算法

3．1 引言

3．2 研究背景

3．3 混合主存缓冲区管理算法MWQ-LRU

3．3．1 算法基本思想

3．3．2 多重写子队列结构

3．3．3 具体算法

3．4 算法性能评测

3．4．1 实验参数设置

3．4．2 缓冲区命中率

3．4．3 相变存储器写次数

3．5 本章小结

第4章 平衡混合主存内部页面置换的缓冲区管理算法

4．1 引言

4．2 研究背景

4．2．1 混合主存内相变存储器的写操作问题

4．2．2 混合主存缓冲区算法的置换效应放大问题

4．3 D-CLOCK：平衡混合主存内部页面置换的缓冲区管理算法

4．3．1 算法设计思想

4．3．2 页面迁移机制

4．3．3 D-CLOCK算法的置换页选择方法

4．3．4 具体算法

4．4 实验结果

4．4．1 实验环境与实验设计

4．4．2 缓冲区命中率

4．4．3 相变存储器写次数

4．5 本章小结

第5章 结束语

5．1 本文主要工作

5．2 本文的主要贡献和创新点

5．3 未来展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文

在读期间参加的科研项目