【摘要】：大數(shù)據(jù)時代,需要處理的數(shù)據(jù)量巨大、數(shù)據(jù)產(chǎn)生速度快。隨著大數(shù)據(jù)應(yīng)用程序的內(nèi)存占用量不斷增加,今天的計算機系統(tǒng)需要大容量的內(nèi)存來實現(xiàn)高性能的數(shù)據(jù)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(jīng)越來越無法滿足大數(shù)據(jù)應(yīng)用程序?qū)Υ髢?nèi)存的需求。與DRAM相比,新興的非易失性內(nèi)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(nèi)存數(shù)據(jù)冗余大,這為數(shù)據(jù)壓縮提供了可能性。針對NVM的寫壽命有限、寫數(shù)據(jù)延遲高、寫能耗高的缺點,設(shè)計并實現(xiàn)了面向3D堆疊的NVM內(nèi)存壓縮系統(tǒng),從而減少寫入NVM的數(shù)據(jù)量、延長NVM的使用壽命。首先,結(jié)合內(nèi)存數(shù)據(jù)零數(shù)據(jù)比例高和頻繁值局部性的特征,設(shè)計了一個基于零數(shù)據(jù)和頻繁值的ZD-FVC數(shù)據(jù)壓縮策略。ZD-FVC充分利用了大多數(shù)程序內(nèi)存中零數(shù)據(jù)比例高的特性,優(yōu)化設(shè)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(nèi)存的logic層上實現(xiàn)用于以上數(shù)據(jù)壓縮策略的壓縮/解壓縮單元,通過數(shù)據(jù)壓縮減少寫操作的數(shù)據(jù)量,從而降低NVM的寫延遲和寫能耗。同時,研究了NVM內(nèi)數(shù)據(jù)的放置策略,以高效地管理壓縮后的數(shù)據(jù),利用數(shù)據(jù)壓縮后節(jié)省的存儲空間實現(xiàn)了一個基于輪轉(zhuǎn)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(yīng)用程序,對比測試了七個系統(tǒng)。實驗結(jié)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(nèi)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(jié)束。圖2.2 面向3D堆疊的NVM內(nèi)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(nèi)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(shù)據(jù)缺失，從而觸發(fā)NVM的讀操作；圖2.3 面向3D堆疊的NVM內(nèi)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(jù)comp_tag值判斷數(shù)據(jù)是否已經(jīng)被壓5；tag，根據(jù)addr_tag的值從NVM內(nèi)存中相應(yīng)位置縮后的數(shù)據(jù)讀到ZD-FVC解壓縮模塊；壓縮模塊根據(jù)comp_tag的值對數(shù)據(jù)進行解壓縮，數(shù)據(jù)讀入到讀緩沖區(qū)；M內(nèi)存中相應(yīng)位置處讀取數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)讀入速緩存從讀緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)的原始數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的NVM內(nèi)存中即可，轉(zhuǎn)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(nèi)存的前4B中，然后將Bit Map寄存器R中值為1的對應(yīng)的（32-N）個2B數(shù)據(jù)塊依次寫入第5B起的連續(xù)內(nèi)存中；轉(zhuǎn)步驟5；5. ZD數(shù)據(jù)壓縮操作結(jié)束。

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