高密度非易失內存系統壽命和性能的提升方法研究.pdf

1、隨著應用程序規(guī)模的擴大，對內存系統的容量需求不斷增加。傳統動態(tài)隨機存儲器（Dynamic Random Access Memory，DRAM）的擴展性有限且刷新能耗高，難以滿足未來應用程序的需求。新型非易失存儲器（Non-Volatile Memory，NVM），例如相變存儲器和阻變存儲器，具有大容量、高性能和低功耗等優(yōu)點，有潛力取代DRAM成為下一代內存的主要存儲介質。然而，有限的耐久性缺陷（即每個存儲單元寫到一定次數后就會被磨穿）和

2、長的寫延時弱點成為制約NVM應用的主要障礙。
　　隨著制造技術的進步，多層單元和低制程工藝技術廣泛地應用于NVM存儲器，分別用來增加每個存儲單元的位數和提高存儲芯片的集成密度，從而大量地增加設備的容量并且降低制造成本。然而，新技術導致存儲單元的耐久性下降和每個單元的耐久性不均勻分布等問題，進一步惡化了NVM系統的壽命問題。為了緩解壽命問題，NVM系統廣泛使用磨損均衡技術。磨損均衡致力于把上層不均勻的寫訪問通過調度均勻地寫入到底層N

3、VM單元中，從而不致出現某個單元快速磨穿并達到提升NVM系統壽命的目的。然而，經過深入分析發(fā)現，現有的磨損均衡算法均不適用于耐久性下降的多層單元NVM系統和耐久性不均勻的低制程NVM系統。
　　針對多層單元NVM系統的壽命問題，提出了一種基于分層存儲的自適應磨損均衡算法（SAWL）。在存儲單元的耐久性降低時，磨損均衡算法必須大量降低磨損均衡的粒度（例如區(qū)域大小），以減輕每個區(qū)域內部的不平衡寫入，這顯著增加了地址映射表的大小。由于內

4、存控制器中SRAM高速緩存的容量限制，內存系統必須將整個映射表存儲在NVM設備上，映射表的查找導致非常長的地址轉換延時。為了解決該問題，SAWL使用了一種新穎的分層存儲架構，將完整的地址映射表存儲在主存儲器（DRAM或者NVM），利用小容量的SRAM來緩存最近使用的映射條目，從而允許降低磨損均衡粒度來提升多層單元NVM系統壽命。為了提高SRAM緩存的命中率并且緩解磨損均衡導致的性能下降，SAWL根據負載的特征動態(tài)地調整磨損均衡的粒度，使

5、得SRAM緩存能夠容納更多的地址條目。測試結果表明，SAWL可使多層單元NVM系統壽命達到最大壽命的93％，僅導致5%的IPC性能下降。
　　針對低制程NVM系統的壽命問題，提出了一種加權代數磨損均衡算法（WAWL）。傳統的磨損均衡算法盡可能地均勻分布寫操作，導致耐久性較低的存儲單元被提前磨穿，因此WAWL通過平衡不同存儲單元的磨損率（寫入次數/耐久性）來提升NVM系統壽命。WAWL把整個內存空間劃分為多個區(qū)域，相同耐久性的存儲單

6、元聚合在一個區(qū)域，當一個區(qū)域的寫入次數達到交換閾值（即交換間隔）時，使用加權隨機選擇算法選擇一個區(qū)域與之交換，并且同時改變區(qū)域內部內存行的相對位置。通過實驗探測合適的交換間隔和選擇概率，WAWL以動態(tài)隨機的方式在整個存儲器上實現均勻的磨損率分布并且可以抵擋針對內存系統的惡意攻擊。測試結果表明，在惡意攻擊程序和真實應用程序下，WAWL方法可使低制程NVM系統壽命分別達到最大壽命的66%和83%。
　　考慮到較長的寫延時和磨損均衡帶來

7、的交換開銷降低NVM性能，提出了一種新穎的寫優(yōu)先重疊服務讀請求調度策略（WPoR）。在新型多分區(qū)結構的NVM存儲器中，一個存儲體內的不同分區(qū)在一定限制條件下可以實現并行操作。傳統的調度方案未能利用多個分區(qū)并行的優(yōu)點，導致低效的分區(qū)利用效率。為了解決該問題，WPoR改變隊列請求的執(zhí)行順序，優(yōu)先服務一個分區(qū)的寫入請求，在冗長的寫操作的內部執(zhí)行階段并行執(zhí)行其他分區(qū)的讀請求，從而提升內存系統的吞吐率。實驗結果表明，WPoR比現有的調度策略能夠獲