基于相變存儲(chǔ)器的混合存儲(chǔ)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、在過(guò)去幾十年，計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了高速發(fā)展，一方面，計(jì)算機(jī)多處理器技術(shù)允許不同線程或應(yīng)用并行運(yùn)行，其中數(shù)據(jù)集的規(guī)模隨著并行程序的數(shù)量增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，對(duì)主存的容量和數(shù)據(jù)訪問(wèn)性能的需求越來(lái)越大。另一方面，信息時(shí)代數(shù)據(jù)呈爆炸式增長(zhǎng)，海量數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的高效處理和存儲(chǔ)需求也越來(lái)越高。擴(kuò)大DRAM主存容量雖然能顯著提升數(shù)據(jù)訪問(wèn)性能，但系統(tǒng)面臨著高成本、高能耗開(kāi)銷、及單節(jié)點(diǎn)DRAM容量擴(kuò)充困難等問(wèn)題;閃存SSD的快速發(fā)展和普及一定程度上加快了系統(tǒng)對(duì)二級(jí)存

2、儲(chǔ)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)，但寫(xiě)前擦除的特性使得SSD的I/O性能提升有限，CPU仍需經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的I/O過(guò)程完成數(shù)據(jù)訪問(wèn)。傳統(tǒng)存儲(chǔ)架構(gòu)無(wú)法避免數(shù)據(jù)存取中DRAM主存和磁盤(pán)之間的性能瓶頸問(wèn)題，無(wú)法滿足用戶的高效數(shù)據(jù)訪問(wèn)和存儲(chǔ)需求，計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)亟需一種創(chuàng)新的存儲(chǔ)架構(gòu)和數(shù)據(jù)管理方法來(lái)提升系統(tǒng)的性能。
　　相變存儲(chǔ)器(Phase Change Memory, PCM)憑著其非易失、隨機(jī)訪問(wèn)性能高、可字節(jié)尋址、靜態(tài)能耗低等優(yōu)點(diǎn)，模糊了主存與二級(jí)存儲(chǔ)之間的

3、界限，為計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)體系設(shè)計(jì)帶來(lái)了技術(shù)變革，有望突破現(xiàn)有的存儲(chǔ)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高性能的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理。然而PCM也存在諸多不足之處，如讀寫(xiě)不對(duì)稱、寫(xiě)延遲是DRAM的6～10倍、及寫(xiě)壽命有限等。因此，PCM無(wú)法完全替代傳統(tǒng)DRAM主存，而是與DRAM構(gòu)成混合存儲(chǔ)系統(tǒng)。
　　基于PCM的混合存儲(chǔ)系統(tǒng)研究是一個(gè)全新的研究課題，基于上述背景，本文對(duì)PCM混合主存系統(tǒng)和持久存儲(chǔ)系統(tǒng)的已有研究成果進(jìn)行了總結(jié)分析，指出相關(guān)研究領(lǐng)域的主要問(wèn)題，并對(duì)PCM

4、&DRAM同級(jí)混合主存系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)PCM存儲(chǔ)子系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)研究工作。
　　基于PCM&DRAM同級(jí)混合主存系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括主存頁(yè)面管理和空閑空間管理與分配等，這些技術(shù)不僅需要保持與傳統(tǒng)主存技術(shù)相同的設(shè)計(jì)目標(biāo)，還需要盡量延長(zhǎng)PCM的使用壽命。
　　混合主存系統(tǒng)的主存頁(yè)面管理直接影響系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)性能，在傳統(tǒng)的主存頁(yè)面管理策略中提高命中率是主要的設(shè)計(jì)目標(biāo)，而在混合主存架構(gòu)中，不僅要保證算法命中率，還要盡量減少對(duì)PCM的寫(xiě)

5、操作。本文針對(duì)主存頁(yè)面管理中的關(guān)鍵技術(shù)如頁(yè)面置換、數(shù)據(jù)劃分方法和遷移等，提出了一系列混合主存頁(yè)面管理方案，包括利用頁(yè)面的歷史讀寫(xiě)信息預(yù)測(cè)頁(yè)面的讀寫(xiě)傾向性，引入最近寫(xiě)距離和寫(xiě)操作局部性定義和預(yù)測(cè)頁(yè)面的寫(xiě)熱度，數(shù)據(jù)讀入主存時(shí)預(yù)測(cè)其訪問(wèn)模式從而為其分配合適的主存介質(zhì)減少不必要的遷移操作等。
　　基于PCM&DRAM同級(jí)混合主存系統(tǒng)，本文對(duì)空閑空間管理與分配也展開(kāi)了研究。論文首先分析了已有的基于PCM主存的磨損均衡算法中頁(yè)面交換操作對(duì)計(jì)算

6、機(jī)主存系統(tǒng)性能造成的影響和傳統(tǒng)主存空閑空間管理算法應(yīng)用到PCM上存在的磨損問(wèn)題，然后提出了一種PCM磨損友好的主存空閑空間管理和分配方法，利用最小堆的思想進(jìn)行空閑空間組織，將磨損均衡與主存空閑空間分配相結(jié)合，既保證空間分配效率，又避免了磨損均衡算法中的頁(yè)面交換機(jī)制帶來(lái)的寫(xiě)放大問(wèn)題。
　　PCM也有望成為新興的持久數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，本文還針對(duì)設(shè)備級(jí)PCM存儲(chǔ)子系統(tǒng)提出了一種空間管理方法，設(shè)計(jì)了一種基于PCM頁(yè)面磨損的頁(yè)面分類方法，并通過(guò)

7、新穎的緩沖區(qū)管理策略、PCM空閑頁(yè)面分配回收機(jī)制、和數(shù)據(jù)遷移方法等協(xié)調(diào)合作，顯著延長(zhǎng)PCM的使用壽命。
　　論文的主要貢獻(xiàn)如下:
　　(1)基于PCM&DRAM同級(jí)混合主存架構(gòu)，提出了基于歷史讀寫(xiě)信息的緩沖區(qū)管理技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)頁(yè)面的讀寫(xiě)信息評(píng)估和預(yù)測(cè)其讀寫(xiě)傾向性，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)劃分，通過(guò)準(zhǔn)確的空間分配和有效的數(shù)據(jù)遷移減少PCM的寫(xiě)操作。
　　(2)基于PCM&DRAM同級(jí)混合主存架構(gòu)，提出了基于寫(xiě)冷熱劃分的主存頁(yè)面管理

8、方法，引入最近寫(xiě)距離和寫(xiě)操作局部性來(lái)定義和預(yù)測(cè)頁(yè)面的寫(xiě)熱度，利用寫(xiě)clock鏈表來(lái)跟蹤頁(yè)面寫(xiě)熱度隨時(shí)間的變化情況，實(shí)現(xiàn)頁(yè)面寫(xiě)熱度的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和頁(yè)面的動(dòng)態(tài)遷移，減少PCM主存的寫(xiě)操作。
　　(3)針對(duì)PCM主存，提出一種PCM主存空閑空間管理和分配方法。該方法根據(jù)空閑塊的磨損程度實(shí)現(xiàn)基于最小堆數(shù)組的空閑連續(xù)空間管理，并將PCM磨損均衡思想與PCM主存空閑空間分配相結(jié)合，避免了磨損均衡中頁(yè)面交換帶來(lái)的寫(xiě)放大問(wèn)題。
　　(4)針對(duì)以