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

1、在過去幾十年，計算機技術(shù)得到了高速發(fā)展，一方面，計算機多處理器技術(shù)允許不同線程或應(yīng)用并行運行，其中數(shù)據(jù)集的規(guī)模隨著并行程序的數(shù)量增長而增長，對主存的容量和數(shù)據(jù)訪問性能的需求越來越大。另一方面，信息時代數(shù)據(jù)呈爆炸式增長，海量數(shù)據(jù)對計算機系統(tǒng)的高效處理和存儲需求也越來越高。擴大DRAM主存容量雖然能顯著提升數(shù)據(jù)訪問性能，但系統(tǒng)面臨著高成本、高能耗開銷、及單節(jié)點DRAM容量擴充困難等問題;閃存SSD的快速發(fā)展和普及一定程度上加快了系統(tǒng)對二級存

2、儲的數(shù)據(jù)訪問，但寫前擦除的特性使得SSD的I/O性能提升有限，CPU仍需經(jīng)過漫長的I/O過程完成數(shù)據(jù)訪問。傳統(tǒng)存儲架構(gòu)無法避免數(shù)據(jù)存取中DRAM主存和磁盤之間的性能瓶頸問題，無法滿足用戶的高效數(shù)據(jù)訪問和存儲需求，計算機存儲系統(tǒng)亟需一種創(chuàng)新的存儲架構(gòu)和數(shù)據(jù)管理方法來提升系統(tǒng)的性能。
　　相變存儲器(Phase Change Memory, PCM)憑著其非易失、隨機訪問性能高、可字節(jié)尋址、靜態(tài)能耗低等優(yōu)點，模糊了主存與二級存儲之間的

3、界限，為計算機存儲體系設(shè)計帶來了技術(shù)變革，有望突破現(xiàn)有的存儲架構(gòu)，實現(xiàn)高性能的數(shù)據(jù)存儲和管理。然而PCM也存在諸多不足之處，如讀寫不對稱、寫延遲是DRAM的6～10倍、及寫壽命有限等。因此，PCM無法完全替代傳統(tǒng)DRAM主存，而是與DRAM構(gòu)成混合存儲系統(tǒng)。
　　基于PCM的混合存儲系統(tǒng)研究是一個全新的研究課題，基于上述背景，本文對PCM混合主存系統(tǒng)和持久存儲系統(tǒng)的已有研究成果進行了總結(jié)分析，指出相關(guān)研究領(lǐng)域的主要問題，并對PCM

4、&DRAM同級混合主存系統(tǒng)和設(shè)備級PCM存儲子系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)展開研究工作。
　　基于PCM&DRAM同級混合主存系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括主存頁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)計目標(biāo)，還需要盡量延長PCM的使用壽命。
　　混合主存系統(tǒng)的主存頁面管理直接影響系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問性能，在傳統(tǒng)的主存頁面管理策略中提高命中率是主要的設(shè)計目標(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PCM的寫

5、操作。本文針對主存頁面管理中的關(guān)鍵技術(shù)如頁面置換、數(shù)據(jù)劃分方法和遷移等，提出了一系列混合主存頁面管理方案，包括利用頁面的歷史讀寫信息預(yù)測頁面的讀寫傾向性，引入最近寫距離和寫操作局部性定義和預(yù)測頁面的寫熱度，數(shù)據(jù)讀入主存時預(yù)測其訪問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同級混合主存系統(tǒng)，本文對空閑空間管理與分配也展開了研究。論文首先分析了已有的基于PCM主存的磨損均衡算法中頁面交換操作對計算

6、機主存系統(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面交換機制帶來的寫放大問題。
　　PCM也有望成為新興的持久數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，本文還針對設(shè)備級PCM存儲子系統(tǒng)提出了一種空間管理方法，設(shè)計了一種基于PCM頁面磨損的頁面分類方法，并通過

7、新穎的緩沖區(qū)管理策略、PCM空閑頁面分配回收機制、和數(shù)據(jù)遷移方法等協(xié)調(diào)合作，顯著延長PCM的使用壽命。
　　論文的主要貢獻如下:
　　(1)基于PCM&DRAM同級混合主存架構(gòu)，提出了基于歷史讀寫信息的緩沖區(qū)管理技術(shù)。該技術(shù)通過頁面的讀寫信息評估和預(yù)測其讀寫傾向性，進而進行數(shù)據(jù)劃分，通過準(zhǔn)確的空間分配和有效的數(shù)據(jù)遷移減少PCM的寫操作。
　　(2)基于PCM&DRAM同級混合主存架構(gòu)，提出了基于寫冷熱劃分的主存頁面管理

8、方法，引入最近寫距離和寫操作局部性來定義和預(yù)測頁面的寫熱度，利用寫clock鏈表來跟蹤頁面寫熱度隨時間的變化情況，實現(xiàn)頁面寫熱度的動態(tài)監(jiān)測和頁面的動態(tài)遷移，減少PCM主存的寫操作。
　　(3)針對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面交換帶來的寫放大問題。
　　(4)針對以