【摘要】：大數據時代,需要處理的數據量巨大、數據產生速度快。隨著大數據應用程序的內存占用量不斷增加,今天的計算機系統(tǒng)需要大容量的內存來實現(xiàn)高性能的數據處理。傳統(tǒng)的動態(tài)隨機存取存儲器(Dynamic Random-Access Memory,DRAM)由于制造工藝上的挑戰(zhàn),已經越來越無法滿足大數據應用程序對大內存的需求。與DRAM相比,新興的非易失性內存(Non-Volatile Memory,NVM)通常具有高密度、低靜態(tài)功耗和低成本的優(yōu)點。然而,NVM寫延遲高、寫能耗高和寫壽命有限的缺點使其離成為DRAM的替代品還有重大挑戰(zhàn)。此外,內存數據冗余大,這為數據壓縮提供了可能性。針對NVM的寫壽命有限、寫數據延遲高、寫能耗高的缺點,設計并實現(xiàn)了面向3D堆疊的NVM內存壓縮系統(tǒng),從而減少寫入NVM的數據量、延長NVM的使用壽命。首先,結合內存數據零數據比例高和頻繁值局部性的特征,設計了一個基于零數據和頻繁值的ZD-FVC數據壓縮策略。ZD-FVC充分利用了大多數程序內存中零數據比例高的特性,優(yōu)化設計了FVC的編碼模式,大幅減小了壓縮編碼的存儲開銷,提高了壓縮率。然后,通過在3D堆疊的NVM內存的logic層上實現(xiàn)用于以上數據壓縮策略的壓縮/解壓縮單元,通過數據壓縮減少寫操作的數據量,從而降低NVM的寫延遲和寫能耗。同時,研究了NVM內數據的放置策略,以高效地管理壓縮后的數據,利用數據壓縮后節(jié)省的存儲空間實現(xiàn)了一個基于輪轉的磨損均衡機制,使得寫操作能盡量均勻地分布以延長NVM的使用壽命。使用gem5和NVMain組成的混合模擬器,從SPEC CPU 2006標準測試集中選取12個具有代表性的應用程序,對比測試了七個系統(tǒng)。實驗結果表明,相較于采用FVC算法的壓縮系統(tǒng),面向3D堆疊的NVM內存壓縮系統(tǒng)能提高55%的壓縮率、降低NVM 41%的寫延遲和20%的寫能耗,同時能延長了NVM 74%的使用壽命。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP333
【圖文】：

4. 本次NVM寫操作流程結束。圖2.2 面向3D堆疊的NVM內存壓縮系統(tǒng)的NVM寫操作流程圖2.3是面向3D堆疊的NVM內存壓縮系統(tǒng)的NVM讀操作流程，其具體步驟如下：1. 在最后一級高速緩存發(fā)生數據缺失，從而觸發(fā)NVM的讀操作；圖2.3 面向3D堆疊的NVM內存壓縮系統(tǒng)的NVM讀操作流程

科 技 大 學 碩 士 學 位 論_tag值，根據comp_tag值判斷數據是否已經被壓5；tag，根據addr_tag的值從NVM內存中相應位置縮后的數據讀到ZD-FVC解壓縮模塊；壓縮模塊根據comp_tag的值對數據進行解壓縮，數據讀入到讀緩沖區(qū)；M內存中相應位置處讀取數據，并將該數據讀入速緩存從讀緩沖區(qū)讀取數據，本次NVM讀操作

華 中 科 技 大 學 碩 士 學 位 論 文3. 此時只需將ZD壓縮標識位comp_tag置‘0’，同時將64B數據的原始數據寫入相應的NVM內存中即可，轉步驟5；4. 將4B的Bit Map寄存器R中值寫入零塊標識位zero_prefix中，即寫入該NVM內存的前4B中，然后將Bit Map寄存器R中值為1的對應的（32-N）個2B數據塊依次寫入第5B起的連續(xù)內存中；轉步驟5；5. ZD數據壓縮操作結束。

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