[發明專利]一種提高PCM寫性能的優化方法

在審

• 申請號: 202010917195.1
• 申請日: 2020-09-03
• 公開（公告）號: CN112068775A
• 公開（公告）日: 2020-12-11
• 發明（設計）人: 何丹;嚴思香;何英;梅圓;徐文
• 申請（專利權）人: 南昌航空大學
• 主分類號: G06F3/06
• 分類號: G06F3/06;G06F12/08
• 代理公司: 南昌洪達專利事務所 36111
• 代理人: 劉凌峰

本發明公開了一種提高PCM寫性能的優化方法，為每一個PCM寫單元都添加了一位翻轉位flip_bit和幾位標志位flag_bit，其中翻轉位用來標記相對應的數據是否經過了翻轉操作，標志位則表示相對應部分的數據是否全為0。本發明能夠最小化實際更新位的數量，從而延長PCM的使用壽命。

技術領域

本發明涉及PCM技術領域，具體涉及一種提高PCM寫性能的優化方法。

背景技術

相變存儲器PCM作為非易失存儲器，近年來成為了存儲器系統方面的研究熱點，是取代DRAM、FLASH、硬盤等存儲產品的最佳候選者。PCM具有良好的可擴展性、能耗低、可按字節尋址、存儲密度高等優點。但它仍然存在兩個明顯的缺點：PCM僅能承受一定數量的寫入/擦除周期；PCM的寫操作比讀操作需要更長的等待時間和更高的能耗。目前已經提出來了幾種編碼和寫減少解決方案，目的是減少PCM中的寫操作以延長PCM的壽命。DCW和Flip-N-Write是采用減少寫策略的方法，從而延長PCM壽命，這是目前最廣泛采用的方法。

DCW是基于部分寫機制，主要設計思想是用讀操作替代寫操作，以此來避免不必要的數據位寫入/擦除操作，該方案首先讀取存儲的舊數據，并且僅在新數據位和舊數據位不同時才會執行更新位的操作，但是該方案也有一些缺點，如果新數據和舊數據中的每一位都不相同，仍然要更新所有的數據位，在這種情況下，由于要更新的最大數據位總數沒有變化，DCW并沒有減少PCM寫操作。

Flip-N-Write采用同樣的部分寫策略，設置一個翻轉位來標記寫入的數據是否翻轉，首先讀取舊數據，然后計算舊數據和新數據中不同位的數量，如果這個數大于總位數的一半則新數據翻轉。Flip-N-Write采用了翻轉機制來實現對將要寫入數據的重新編碼，限制要更新的數據位數為字長的一半，因此增加PCM壽命的同時減少對PCM的寫操作，但是當要寫入數據和存儲的數據的不同數據位總數接近字長的一半時，Flip-N-Write的性能并不顯著。針對這些方案存在的不足，本方法提出基于翻轉和標記的寫優化策略，實現對寫入數據的更新。

現在越來越多的應用程序使用多線程編程，一個應用程序運行數百個線程以充分利用數據中心中豐富的物理資源，多線程應用的主存訪問呈現明顯的訪問局部性，一小部分的數據類型占據了大量的數據訪問，根據在多線程PARSEC負載其中一個基準blackscholes下的實驗結果，如圖1所示，我們觀察到隨著線程數量的增加，寫入數據模式00000000、00XX00XX和0000XXXX最高在128線程下占80％，最少在1線程下也接近占到了27％的內存訪問，其中’0’或’X’表示一個字節也就是8位的值，’0’表示字節值是0，而’X’表示至少有一個非零位。

多線程PARSEC負載下的12個基準，如表1所示。圖2是PARSEC負載下的12個基準在128線程下的所有數據模式分布，可以發現數據模式00000000、00XX00XX和0000XXXX在所有基準測試的寫入數據中平均占所有內存訪問的60％以上，最高占到了大約80％。

表1benchmark

根據實驗結果我們發現，這些典型的數據模式00000000、00XX00XX和0000XXXX在多線程工作負載中的寫數據中占據了絕大部分的主存數據訪問，隨著線程數量的增加，數據訪問的局部性變得更加明顯。因此利用這些常見的典型數據模式來提高寫性能和降低能耗非常重要。

上述的這些典型的數據模式00000000、00XX00XX和0000XXXX出現的原因可能來自數據結構對齊或者字對齊，一方面，許多數據只有4位、8位、16位或者32位，為了使數據結構對齊，需要以64位的形式存儲以達到提高內存訪問效率的目的，因此小數據會被填充一些沒有意義的0值；另一方面如果將兩個8位數據XX存儲為64位，由于字對齊，每個數據都會添加無意義地0值，因此數據中全0的很多。

發明內容