基于NVM的寫(xiě)操作優(yōu)化策略研究與設(shè)計(jì).pdf

1、為了緩和CPU到主存再到外存的速度差異，現(xiàn)有的存儲(chǔ)架構(gòu)一直延續(xù)最初的分層架構(gòu):cache、主存和外存從高到低，速度也從快到慢，但是，伴隨著海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與大規(guī)模并行計(jì)算的應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越廣泛，存儲(chǔ)器性能亟待提升，無(wú)論是外存還是主存，從存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)到存儲(chǔ)介質(zhì)都面臨著新興技術(shù)的挑戰(zhàn)。外存方面，以NandFlash作為存儲(chǔ)介質(zhì)的SSD(Solid State Disk)已經(jīng)取得了良好的戰(zhàn)績(jī)并在不斷提升性能擴(kuò)大戰(zhàn)果;主存方面，生產(chǎn)領(lǐng)域不斷的研究新的工藝

2、來(lái)提升DRAM的存儲(chǔ)密度，近幾年來(lái)效果不佳;學(xué)術(shù)領(lǐng)域則將目光轉(zhuǎn)向?qū)ふ倚碌拇鎯?chǔ)介質(zhì)來(lái)替代傳統(tǒng)的DRAM。新興的非易失性存儲(chǔ)介質(zhì)NVM(Non-VolatileMemo巧，如PCM-相變存儲(chǔ)器[34]、STT-RAM-自旋存儲(chǔ)器、FeRAM-鐵電存儲(chǔ)器等）具有很多吸引人的特性，如掉電非易失、高密度、可字節(jié)尋址、高抗沖擊性、低能耗和出色的可擴(kuò)展性。此外，NVM相比DRAM有著極低的空閑能耗而存儲(chǔ)密度更高。因此，NVM越來(lái)越流行，在眾多系統(tǒng)中都

3、紛紛采用，它不僅可以作為輔存，也可以作為嵌入式系統(tǒng)的主存，而且有大量的技術(shù)已經(jīng)提出利用NVM取代傳統(tǒng)的DRAM作為計(jì)算機(jī)主存。
　　但是，NVM自身也有著兩個(gè)明顯的缺陷:1)NVM的寫(xiě)入/擦除周期數(shù)量有限（例如，相變存儲(chǔ)器-PCM周期數(shù)只有109次）;2) NVM需要更長(zhǎng)的寫(xiě)操作時(shí)間和更高的寫(xiě)操作能耗(例如，PCM的讀操作時(shí)間為50ns，而寫(xiě)操作時(shí)間為200ns)。如果能夠針對(duì)這些問(wèn)題找到解決辦法，對(duì)于NVM的推廣將起著至關(guān)重要的

4、影響。
　　為了解決這些問(wèn)題，大量的研究工作致力于減少NVM的寫(xiě)操作，但是大多數(shù)技術(shù)在減少寫(xiě)操作的同時(shí)也增加了可觀(guān)的額外消耗，在本文中，我們提出了MinFS，一種利用增加比特翻轉(zhuǎn)標(biāo)記和移位標(biāo)記來(lái)最小化更新比特位數(shù)的NVM寫(xiě)策略。類(lèi)似Flip-N-Write[13]和Min-Shift[33]，每個(gè)NVM寫(xiě)單元有一個(gè)額外的比特位翻轉(zhuǎn)標(biāo)志來(lái)記錄該單元的相關(guān)的數(shù)據(jù)是否經(jīng)過(guò)了翻轉(zhuǎn)操作和幾個(gè)移位標(biāo)志來(lái)記錄數(shù)據(jù)循環(huán)右移的位數(shù)。當(dāng)一個(gè)寫(xiě)請(qǐng)求到達(dá)

5、時(shí)，該MinFS策略首先計(jì)算新數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的所有可能的編碼數(shù)據(jù)和讀取舊的數(shù)據(jù)。然后，MinFS計(jì)算所有的編碼數(shù)據(jù)和舊數(shù)據(jù)之間的海明距離，其中包括所使用的翻轉(zhuǎn)標(biāo)記位和移位標(biāo)記位。擁有最小海明距離的編碼數(shù)據(jù)被選為最優(yōu)結(jié)果寫(xiě)入NVM單元。該方案可以找到所有要寫(xiě)數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)之間的最小距離以達(dá)到最大程度的減少更新的數(shù)據(jù)位數(shù)。MinFS通過(guò)付出讀取、計(jì)算和比較的成本來(lái)找到擁有最少更新數(shù)據(jù)位的編碼數(shù)據(jù)。我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)以跟蹤數(shù)據(jù)文件為驅(qū)動(dòng)的工具來(lái)評(píng)估我們