存儲(chǔ)類內(nèi)存模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、存儲(chǔ)類內(nèi)存從08年IBM提出以來，越來越受到科學(xué)研究領(lǐng)域和存儲(chǔ)設(shè)備生產(chǎn)廠商的關(guān)注。存儲(chǔ)類內(nèi)存具有低功耗，非易失，存儲(chǔ)密度大，每位價(jià)格低的特性，研究人員預(yù)測，存儲(chǔ)類內(nèi)存將成為未來的主要存儲(chǔ)設(shè)備，同時(shí)將對計(jì)算機(jī)科學(xué)的多個(gè)研究領(lǐng)域帶來變革。
　　目前以超級計(jì)算機(jī)為代表的高性能計(jì)算機(jī)發(fā)展有三大主要趨勢，一是系統(tǒng)計(jì)算速度不斷增大，二是系統(tǒng)能耗進(jìn)一步提升，三是系統(tǒng)可靠性不斷下降。
　　隨著計(jì)算機(jī)核心數(shù)目不斷增加，越來越多的計(jì)算核心要求系

2、統(tǒng)有更高的散熱性能，這進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的功耗。而由于系統(tǒng)運(yùn)算能力提升，要求更高的I/O能力來提供計(jì)算所需的數(shù)據(jù)，如果采用傳統(tǒng)存儲(chǔ)介質(zhì)，不僅存在需要更多磁盤的問題，而且由于磁盤數(shù)目的增多，磁盤的帶電功耗將帶了新一輪的功耗上升。新型存儲(chǔ)類內(nèi)存具有低功耗，高存儲(chǔ)密度，低每位價(jià)格的特性，同時(shí)無帶電功耗，可以很好解決高功耗問題。
　　還要注意到的是，隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)核心數(shù)目增加，系統(tǒng)的可靠性也不斷下降，目前大規(guī)模系統(tǒng)的MTBF都在小時(shí)級別。而

3、很多大規(guī)模應(yīng)用所需的執(zhí)行時(shí)間往往超過這個(gè)時(shí)間，目前大規(guī)模應(yīng)用應(yīng)對這個(gè)問題采用的檢查點(diǎn)重啟方法，但是檢查點(diǎn)重啟方法的可擴(kuò)展性非常有限，隨著系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大，檢查點(diǎn)重啟容錯(cuò)帶來的開銷呈指數(shù)增長，100,000個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的超級計(jì)算機(jī)中，只有35％的時(shí)間用于計(jì)算，而剩余65%的時(shí)間將用于檢查點(diǎn)操作。新型存儲(chǔ)類內(nèi)存的出現(xiàn)解決了這個(gè)問題，由于存儲(chǔ)類內(nèi)存的非易失特性，當(dāng)應(yīng)用運(yùn)行在存儲(chǔ)類內(nèi)存上時(shí)，如果系統(tǒng)其它部件發(fā)生錯(cuò)誤導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，應(yīng)用存儲(chǔ)在存儲(chǔ)類內(nèi)存上

4、的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，可以在系統(tǒng)重啟時(shí)繼續(xù)上次程序的執(zhí)行。這樣就很好的解決了系統(tǒng)可靠性問題。
　　綜上所述，存儲(chǔ)類內(nèi)存的出現(xiàn)能夠很好的克服在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能不斷提升過程中遇到的高功耗和可靠性瓶頸，而要達(dá)到上面所分析的目的，必須通過系統(tǒng)研究者將存儲(chǔ)類內(nèi)存很好的結(jié)合進(jìn)入目前的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，尤其在軟件層次，目前系統(tǒng)中的軟件棧都是面向易失內(nèi)存和非易失的磁盤存儲(chǔ)設(shè)計(jì)的，而沒有能夠充分利用新型存儲(chǔ)類內(nèi)存的特性。系統(tǒng)開發(fā)者迫切需要針對存儲(chǔ)類內(nèi)存重新設(shè)計(jì)軟

5、件棧，而目前市場上沒有存儲(chǔ)類內(nèi)存的樣片，這阻礙了新型存儲(chǔ)類主存的研究。使得開發(fā)者被迫采用少數(shù)科研機(jī)構(gòu)發(fā)布的靜態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)合采用其他類型的模擬器進(jìn)行研究。然而這樣的靜態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)合其他模擬器并不能夠真實(shí)模擬系統(tǒng)運(yùn)行中的訪存軌跡，并且不能夠支持在模擬的同時(shí)對軟件層次的調(diào)試工作。
　　為了解決上面提到的問題，通過分析實(shí)際軟件調(diào)試中需要用到的存儲(chǔ)類內(nèi)存特性，我們設(shè)計(jì)了存儲(chǔ)類內(nèi)存模擬器SCM-BSIM，在支持模擬存儲(chǔ)類內(nèi)存的同時(shí)支持全系統(tǒng)模擬，為存

6、儲(chǔ)類內(nèi)存相關(guān)的系統(tǒng)軟件開發(fā)提供了支持。在這個(gè)基礎(chǔ)上，我們針對K-means算法的具體應(yīng)用，利用存儲(chǔ)類內(nèi)存進(jìn)行容錯(cuò)，并測試了算法的容錯(cuò)性能。
　　具體內(nèi)容如下:
　?。?）研究分析了傳統(tǒng)存儲(chǔ)介質(zhì)未來的發(fā)展趨勢，將磁盤和flash與新型存儲(chǔ)類內(nèi)存進(jìn)行了對比，同時(shí)對存儲(chǔ)類內(nèi)存的不同實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行了研究，對目前學(xué)術(shù)界對存儲(chǔ)類內(nèi)存的研究現(xiàn)狀以體系結(jié)構(gòu)層次為劃分做出了總結(jié)。
　　（2）針對目前存儲(chǔ)類內(nèi)存相關(guān)系統(tǒng)軟件的研究困難，我們設(shè)

7、計(jì)實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)類內(nèi)存模擬器，對存儲(chǔ)類內(nèi)存的非易失性，讀寫訪問特性，以及有限耐久度特性進(jìn)行了模擬。
　?。?）針對存儲(chǔ)類內(nèi)存模擬器的性能問題進(jìn)行優(yōu)化和分析，針對數(shù)據(jù)同步性能開銷過大的問題，首先我們通過改變數(shù)據(jù)同步時(shí)機(jī)，減少了讀操作時(shí)的同步開銷，將系統(tǒng)性能提升近50%，其次我們通過對不同同步方法的測試實(shí)驗(yàn)，選用內(nèi)存映射方式進(jìn)行同步，減小性能開銷，第三，為減小每次同步時(shí)都需要內(nèi)存映射的開銷，我們在啟動(dòng)時(shí)將客戶系統(tǒng)內(nèi)存指向我們內(nèi)存副本內(nèi)存映