當今各類計算機應用都進入一個飛速發(fā)展的階段,無論是"計算密集型"還是"存儲密集型"應用都對存儲系統(tǒng)的容量、性能以及功耗不斷提出更高的要求.然而,由于傳統(tǒng)內(nèi)存工藝（DRAM）的發(fā)展落后于計算邏輯工藝（CMOS）,基于DRAM的內(nèi)存設計逐漸無法滿足這些設計需求.同時,基于HDD的外存性能與DRAM主存間的差距也逐漸增加.而各種非易失存儲工藝取得長足的進步,為解決這一問題提供了新的機遇.本文就近年來針對非易失內(nèi)存的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)級設計與優(yōu)化的研究工作進行綜述,揭示非易失內(nèi)存對存儲系統(tǒng)的性能、功耗等都有明顯的改善. 

【文章來源】：華東師范大學學報(自然科學版). 2014,(05)北大核心CSCD

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【部分圖文】：

各種類型的應用負載的IJO特性

華東師范大學學報（自然科學版）２０１４年各種應用的Ｉ／Ｏ對于吞吐和延遲不同的需求決定了需要有不同的存儲設備為之服務，非易失存儲的出現(xiàn)不僅能夠顯著降低引入大量內(nèi)存產(chǎn)生的靜態(tài)功耗，同時豐富了存儲層次結(jié)構(gòu)，有望填補ＤＲＡＭ內(nèi)存和硬盤之間不斷擴大的鴻溝，如圖２［２］所示．圖２存儲結(jié)構(gòu)層次Ｆｉｇ．２Ｍｅｍｏｒｙｈｉｅｒａｒｃｈｙ在內(nèi)存計算的場景下，非易失內(nèi)存有著廣泛的應用場景．（１）ＮＶＭ有著比ＮＡＮＤＦｌａｓｈＳＳＤ更好的延遲和吞吐，其ＩＯ性能比ＳＳＤ好１００倍以上；（２）ＮＶＭ的存儲密度比ＤＲＡＭ更大，因此在同等面積／內(nèi)存插槽的情況下，它能給多核環(huán)境下的ＣＰＵ提供更多的數(shù)據(jù)；（３）在前兩點因素的共同作用下，對于存儲一定量的數(shù)據(jù)并滿足一定性能需求的條件下，使用ＳＣＭ技術能降低所需要的機器數(shù)量．例如：ＳＡＰ公司已經(jīng)把非易失內(nèi)存技術的應用研究作為它們內(nèi)存計算技術研究的一個重點［３］，此外，Ｖｉｒｉｄｅｎｔ公司已經(jīng)著手對ＭｙＳＱＬＩｎｎｏＤＢ和ＭｅｍＣａｃｈｅｄ用在ＳＣＭ的情況進行了優(yōu)化［４］，使這些系統(tǒng)得到更好的利用．１基本知識如前言所述，維護已有３０多年歷史的基于ＤＲＡＭ和ＨＤＤ的傳統(tǒng)主存和外存結(jié)構(gòu)，已經(jīng)成為面向新興應用計算系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)．本章節(jié)首先介紹兩類主要的非易失內(nèi)存結(jié)構(gòu)，并通過對各種非易失存儲器件的分析，探討適合這兩類非易失內(nèi)存結(jié)構(gòu)的存儲器件．如圖３［３５］所示，本文所指的非易失內(nèi)存主要分為兩類：（１）兼容傳統(tǒng)主存控制器（ｍｅｍｏ－ｒｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）的非易失主存（

第５期孫廣宇，等：面向非易失內(nèi)存的結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)級設計與優(yōu)化綜述圖３兩類非易失內(nèi)存的示意圖Ｆｉｇ．３Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｗｏｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅｍｅｍｏｒｙｔｙｐｅｓ通過兩類非易失內(nèi)存特性的對比，可以看出兩類非易失內(nèi)存對所采用的存儲器件工藝提出不同的需求．同時，針對網(wǎng)絡搜索、內(nèi)存計算、數(shù)據(jù)挖掘、移動計算等多種應用，即使同一類非易失內(nèi)存也會針對實際應用進行不同側(cè)重點的的設計及優(yōu)化．因此，當今各種主流的閃存（ＦＬＡＳＨ）、鐵電存儲器（ＦｅＲＡＭ）、磁存儲器（ＭＲＡＭ）、相變存儲器（ＰＲＡＭ）、阻變存儲器（ＲＲＡＭ）等非易失存儲器件都是制造非易失內(nèi)存的潛在競爭者［１４］．下文首先對集中非易失存儲器件進行介紹，并分析其可能應用的場景．閃存（ＦＬＡＳＨ）通過選擇是否在浮柵中存放電荷進而存儲數(shù)據(jù)．Ｆｌａｓｈ依據(jù)存儲單元分為與非（ＮＡＮＤ）和或非（ＮＯＲ）兩種結(jié)構(gòu)．ＮＯＲ可以提供高達１００ＭＢ／ｓ的讀寫速度，而ＮＡＮＤ卻可以達到數(shù)倍于ＮＯＲ的存儲密度，可以達到較低的生產(chǎn)成本．同時，３Ｄ堆疊技術將多層Ｆｌａｓｈ存儲單元堆疊在一起，為提高存儲密度提供了新的途徑［１５］．目前，進入２２ｎｍ及以下的多比特與非閃存（ＭＬＣＮＡＮＤＦｌａｓｈ）已被業(yè)界用于生產(chǎn)固態(tài)硬盤（ＳＳＤ），三星、閃迪等公司均發(fā)布１Ｔ的ＭＬＣＦｌａｓｈ．相比于傳統(tǒng)ＨＤＤ，ＮＡＮＤＦｌａｓｈ具備低延時、高吞吐、低功耗的優(yōu)勢，但是性能尚無法與ＤＲＡＭ相比，同時考慮到其擦寫壽命問題，ＮＡＮＤＦｌａｓｈ通常適合于設計大容量，高吞吐的ＳＣＭ．鐵電存儲器


本文編號：3264427