[發(fā)明專利]混合內存系統(tǒng)及其管理方法

在審

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• 申請日: 2016-12-19
• 公開（公告）號: CN106775476A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發(fā)明（設計）人: 吳煬;付印金;陳衛(wèi)衛(wèi);倪桂強;侯睿
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍理工大學
• 主分類號: G06F3/06
• 分類號: G06F3/06;G06F11/10
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 陳建和

技術領域

本發(fā)明屬于計算機數據存儲技術領域，具體涉及一種混合內存系統(tǒng)及其管理方法。

背景技術

根據摩爾定律，計算速度每18個月翻一番，然而內存技術的發(fā)展已經遇到瓶頸，造成了巨大的差距。現(xiàn)有的隨機存儲器(RAM)，以動態(tài)隨機存儲器(DRAM)為代表的傳統(tǒng)內存技術由于工藝制程的限制，電子的微觀特性越來越明顯，再加上其本身的物理特性制約。DRAM是易失性存儲器，若想保存其中的數據，必須對其進行不斷充電，而且使用時需要動態(tài)刷新，這導致其面臨著時延、功耗、可靠性方面的困境。

近年來，新型非易失性存儲器(Non-Volatile Memory，NVM)的興起與發(fā)展為打破傳統(tǒng)內存技術的系統(tǒng)性能與能耗瓶頸提供了契機，正推動計算機存儲系統(tǒng)結構的變革。相變存儲器(Phase Change Memory，PCM)是最具代表性的新型非易失性存儲器，具有非易失、低功耗和大容量的優(yōu)勢，其性能雖然遠高于非易失的閃存介質，但仍不如DRAM。表1所示的是DRAM與PCM性能對比，從工藝尺寸、能耗、讀寫性能等方面比較了DRAM與PCM的特性。

表1

部分研究者使用PCM直接內存技術，無論通過MLC與SLC的轉換或者重新利用具有bit錯誤的頁面，還是設計計數器加密模式或者研究增量式加密方法，都帶來了巨大的能耗，提高了開銷。

為構建適應大數據分析的內存系統(tǒng)，研究者們提出了用部分PCM取代DRAM來共同構建混合內存設計方法，兩種存儲介質相互彌補不足同時能充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢。2015年山東大學碩士學位論文《基于混合架構的高效頁面替換算法的分析》中提出了一種基于混合存儲架構的頁面替換算法，PCM中的頁面采取主動替換的方式將合適的頁面替換到DRAM中去，DRAM中的頁采取被動的方式調入到PCM中。此系統(tǒng)雖然能夠取得較好的效果，但涉及的數據結構過多，產生的能耗比較大，而且無法保證數據的可靠性。2013年《微電子學與計算機》雜志中的《一種混合內存系統(tǒng)訪存熱點控制方法》中提出一種基于訪存熱點控制的有效策略，雖然能夠增加PCM使用壽命，但讀寫分布對DRAM區(qū)域占用率較高，而且沒有考慮到可靠性方面的內容。

根據表1，PCM寫能耗太大，需要盡量減少PCM寫操作，本文提出一種新的混合內存機制，利用簡單的寫緩存、日志記錄表及糾刪碼，創(chuàng)造性地將原始數據、校驗數據分別放入PCM、DRAM，發(fā)揮出DRAM與PCM各自的優(yōu)勢，大大降低存儲系統(tǒng)的能耗，減少讀寫延遲，增強數據的可靠性。

現(xiàn)有的混合內存架構大致分為橫向混合內存和縱向混合內存兩類。其中，橫向混合內存是對DRAM和PCM統(tǒng)一編址，將它們看成一個整體，在此架構中，PCM與DRAM地位平等，由操作系統(tǒng)中的統(tǒng)一頁表來進行地址轉換，具有很強的擴展性。比如2009年《Proc of the 18th International Conference on Parallel Architectures and Compilation Techniques.Raleigh》會議《Exploring phase change memory and 3D die-stacking for power/thermal friendly,fast and durable memory architectures》文中根據頁面修改頻繁程度提出一種混合內存系統(tǒng)調度數據的策略。在實現(xiàn)過程中，通過MQ(Multi-Queue)算法把修改頻繁的頁遷移到DRAM中，算法維持了16個LRU隊列，將頁掛入隊列中并對修改次數計數，當達到閾值之后，便認為是頻繁修改的頁。該方案發(fā)揮PCM和DRAM的優(yōu)勢，但隊列開銷很大，并且遷移操作影響系統(tǒng)整體性能。2015年山東大學碩士學位論文《基于混合架構的高效頁面替換算法的分析》中提出一種基于混合存儲架構的頁面替換算法中提出的頁面替換算法，采取主動替換的方式將PCM合適的頁面替換到DRAM中去，當DRAM沒有空閑頁時調用改進的CLOCK算法將頁面調入到PCM中。此系統(tǒng)雖然能取得較好的效果，但涉及的數據結構過多，產生的能耗比較大，而且無法保證數據的可靠性。

發(fā)明內容

針對上述技術問題，本發(fā)明提出一種混合內存系統(tǒng)及其管理方法，基于橫向混合內存架構，在隨機存儲介質中構建寫緩存，將原始數據放入非易失存儲介質，校驗數據放入隨機存儲介質中，以此減少非易失存儲介質寫操作的次數，提高數據讀寫速度。

本發(fā)明技術方案如下：