本文關(guān)鍵詞：基于STT-MRAM的高速cache設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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【摘要】：隨著工藝特征尺寸持續(xù)減小,泄漏功耗占總功耗的比例正逐年上升。在中央處理器中有超過一半的面積和泄漏功耗都是由于高速存儲(chǔ)cache產(chǎn)生的,高速緩存的靜態(tài)漏電流和面積正成為制約存儲(chǔ)器發(fā)展的瓶頸�，F(xiàn)在普通高速緩存由靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SRAM構(gòu)成,SRAM雖有著讀寫速度能與CPU匹敵的趨勢(shì),但是其發(fā)展受到巨大的面積和不可消除的泄漏功耗的限制,并且其易失性也不符合當(dāng)今低功耗發(fā)展趨勢(shì)。減小高速緩存功耗的普遍方法為門控時(shí)鐘(power gating)技術(shù),其通過減小SRAM中的電壓達(dá)到減小功耗的目的,但是門控時(shí)鐘必定會(huì)增加面積同時(shí)并不能消除泄漏功耗。隨著非易失性存儲(chǔ)器(Non-volatile Memory)技術(shù)的發(fā)展,低級(jí)的高速緩存正在逐步被其取代。在眾多非易失性存儲(chǔ)技術(shù)當(dāng)中,自選扭矩轉(zhuǎn)移磁性存儲(chǔ)器STT-MRAM(Spin-transfer torque magnetic RAM)因?yàn)槠涿娣e小,非易失性,較高的讀取速度,較低的泄漏功耗和兼容CMOS技術(shù)正成為一種當(dāng)今最有前景的高速緩存技術(shù)。然而過高的寫電流正在成為STT-MRAM發(fā)展成為下一代通用存儲(chǔ)器的瓶頸。因?yàn)镾TT-MRAM內(nèi)部的自選轉(zhuǎn)移磁隧道節(jié)(Magnetic Tunnel Junction)有著固有的非對(duì)稱磁矩,從非平行到平行的所需反轉(zhuǎn)時(shí)間和電流比從平行到非平行的所需反轉(zhuǎn)時(shí)間和電流更小。因此,寫入延時(shí)也因?yàn)榇鎯?chǔ)器每個(gè)單元的狀態(tài)不同而不同。本文對(duì)MTJ和STT-MRAM的技術(shù)和高速緩存技術(shù)做了系統(tǒng)的研究,根據(jù)STT-MRAM的不對(duì)稱寫入特性提出了新型高速cache結(jié)構(gòu),主要工作如下:(1)根據(jù)STT-MRAM的物理特性如:熱擾動(dòng),阻值高斯分布,歲差翻轉(zhuǎn)和熱擾動(dòng)等特點(diǎn)使用verliog-A設(shè)計(jì)了STT-MRAM的動(dòng)態(tài)行為模型,并且設(shè)計(jì)了STT-MRAM的寫入讀出電路。(2)利用STT-MRAM模型模擬了STT-MRAM不對(duì)稱讀寫行為,并且記錄了相關(guān)的延時(shí)和電流(3)根據(jù)STT-MRAM不對(duì)稱寫入特性設(shè)計(jì)了新型的cache構(gòu)架,為提高系統(tǒng)處理效率,本文采用了哈佛,四路組相聯(lián),流水線結(jié)構(gòu)。在替換算法中,使用更為高效的偽LRU替換算法。同時(shí)分析了STT-MRAM cache的寫入特性,設(shè)計(jì)了額外的兩組組data way和一組tag way,data way保證寫入時(shí)都為非平行狀態(tài),cache控制器根據(jù)data way的不同狀態(tài)寫入不同的data way中,使得每次在快速mode下STT-MRAM都可以從非平行狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫袪顟B(tài),大大減小了反轉(zhuǎn)延時(shí)。(4)cache的verilog代碼在SYNOPSYS公司的design compiler 45nm工藝條件下進(jìn)行了綜合,面積為43萬平方微米,速度為7.2ns。(5)根據(jù)新型cache的結(jié)構(gòu)和模型參數(shù),在NVsim環(huán)境下對(duì)功耗和面積進(jìn)行了仿真。
【關(guān)鍵詞】：Cache 非對(duì)稱 存儲(chǔ)器 STT-MRAM
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP333
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 符號(hào)對(duì)照表11-12
• 縮略語對(duì)照表12-15
• 第一章 緒論15-23
• 1.1 自旋轉(zhuǎn)移磁矩隨機(jī)存儲(chǔ)器簡(jiǎn)介15-17
• 1.1.1 STT-MRAM結(jié)構(gòu)15
• 1.1.2 STT-MRAM的工作原理15-17
• 1.2 STT-MRAM cache概述17-18
• 1.3 STT-MRAM cache的研究現(xiàn)狀18-20
• 1.4 課題研究的重點(diǎn)與實(shí)施方案20
• 1.5 論文主要內(nèi)容與論文結(jié)構(gòu)20-23
• 第二章 STT-MRAM建模與仿真23-35
• 2.1 Verilog-a簡(jiǎn)介23-25
• 2.2 STT-MRAM電阻25-26
• 2.3 STT-MRAM臨界電流26-27
• 2.4 翻轉(zhuǎn)時(shí)間27-28
• 2.4.1 SUN模型27-28
• 2.4.2 Neel-Brown模型28
• 2.4.3 脈沖寬度28
• 2.5 參數(shù)高斯分布28-29
• 2.6 建模流程29-35
• 第三章 STT-MRAM cache讀寫電路算法和結(jié)構(gòu)研究35-49
• 3.1 映射方式36-40
• 3.1.1 直接映射方式36-38
• 3.1.2 全相聯(lián)映射方式38-39
• 3.1.3 組相聯(lián)映射方式39-40
• 3.2 替換策略40-43
• 3.2.1 隨機(jī)替換算法40
• 3.2.2 先進(jìn)先出替換算法40-41
• 3.2.3 近期最少使用算法41-43
• 3.3 一致性要求43-44
• 3.4 MESI協(xié)議44-45
• 3.5 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)寫入45-49
• 3.5.1 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)陣列算法45-47
• 3.5.2 動(dòng)態(tài)標(biāo)簽陣列算法47-49
• 第四章 STT-MRAM cache讀寫電路設(shè)計(jì)49-67
• 4.1 映射算法實(shí)現(xiàn)50-51
• 4.2 讀出策略實(shí)現(xiàn)51-52
• 4.3 寫入策略實(shí)現(xiàn)52
• 4.4 替換算法實(shí)現(xiàn)52-54
• 4.5 寫回策略實(shí)現(xiàn)54-55
• 4.6 有效位實(shí)現(xiàn)55
• 4.7 Cache控制器實(shí)現(xiàn)55-61
• 4.7.1 內(nèi)部控制器55-59
• 4.7.2 外部控制器實(shí)現(xiàn)59-61
• 4.8 異步FIFO的設(shè)計(jì)61-62
• 4.9 cache流水線設(shè)計(jì)62-67
• 4.9.1 流水線工作原理62-64
• 4.9.2 Cache流水線實(shí)現(xiàn)64-67
• 第五章 STT-MRAM cache讀寫電路與陣列仿真67-81
• 5.1 NVsim67-72
• 5.1.1 NVsim簡(jiǎn)介67
• 5.1.2 STT-MRAM cache仿真參數(shù)簡(jiǎn)介67-71
• 5.1.3 仿真參數(shù)設(shè)置71-72
• 5.2 STT-MRAM cache仿真結(jié)果72-76
• 5.3 Cache讀寫電路功能仿真76-79
• 5.4 Cache讀寫電路綜合79-81
• 第六章 結(jié)束語81-83
• 參考文獻(xiàn)83-87
• 致謝87-89
• 作者簡(jiǎn)介89-90

【相似文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 劉美華,古志民,曹元大;Load Balancing Algorithm for Cache Cluster[J];Journal of Beijing Institute of Technology(English Edition);2003年04期

2 趙學(xué)梅,葉以正,李曉明,時(shí)銳;一種低功耗高性能的滑動(dòng)Cache方案[J];計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展;2004年11期

3 ;Design and Implementation of Hierarchy Cache Using Pagefile[J];Wuhan University Journal of Natural Sciences;2004年06期

4 VioLin;高容量L2Cache=高性能嗎[J];電腦應(yīng)用文萃;2004年10期

5 VioLin;電腦設(shè)備加速之Cache談[J];電腦應(yīng)用文萃;2004年11期

6 杜紅燕,田興彥,田新華;一種新穎的軟件可控Cache優(yōu)化方法[J];計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用;2005年21期

7 ;A Novel Cache Invalidation Scheme for Mobile Networks[J];Wuhan University Journal of Natural Sciences;2006年02期

8 唐雙燕;楊云仙;劉偉;;IA-32CPU Cache的一種特殊應(yīng)用[J];軟件導(dǎo)刊;2006年15期

9 楊君;李曦;仲力;周學(xué)海;;一種新型的嵌入式X路組相聯(lián)cache結(jié)構(gòu)[J];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào);2007年02期

10 趙昊翔;;從程序員的角度看Cache[J];程序員;2008年09期

中國(guó)重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 所光;楊學(xué)軍;;雙核處理器性能最優(yōu)的共享Cache劃分[A];2008年全國(guó)開放式分布與并行計(jì)算機(jī)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集(上冊(cè))[C];2008年

2 石文強(qiáng);倪曉強(qiáng);金作霖;張民選;;Cache動(dòng)態(tài)插入策略模型研究[A];第十五屆計(jì)算機(jī)工程與工藝年會(huì)暨第一屆微處理器技術(shù)論壇論文集（B輯）[C];2011年

3 汪騰;楊少軍;;一種高效的指令Cache的結(jié)構(gòu)[A];中國(guó)聲學(xué)學(xué)會(huì)2001年青年學(xué)術(shù)會(huì)議[CYCA'01]論文集[C];2001年

4 ;Application of cache in Data Access Performance Optimization[A];2011年全國(guó)電子信息技術(shù)與應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2011年

5 李凡;李建中;何震瀛;;XML數(shù)據(jù)Cache策略研究[A];第二十二屆中國(guó)數(shù)據(jù)庫(kù)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（技術(shù)報(bào)告篇）[C];2005年

6 ;Research on WEB Cache Prediction Recommend Mechanism Based on Usage Pattern[A];中國(guó)電子學(xué)會(huì)第十五屆信息論學(xué)術(shù)年會(huì)暨第一屆全國(guó)網(wǎng)絡(luò)編碼學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（上冊(cè)）[C];2008年

7 宋杰;欒影;王廣奇;于戈;王大玲;;OR-Cache:一種有效的對(duì)象-關(guān)系映射模型[A];第二十三屆中國(guó)數(shù)據(jù)庫(kù)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（技術(shù)報(bào)告篇）[C];2006年

8 張承義;郭維;周宏偉;;Cache漏流功耗的自適應(yīng)優(yōu)化:動(dòng)態(tài)容量調(diào)整[A];第十五屆計(jì)算機(jī)工程與工藝年會(huì)暨第一屆微處理器技術(shù)論壇論文集（B輯）[C];2011年

9 鄭涵;吳英;丁曉東;樂嘉錦;;基于Web的個(gè)性化智能Cache庫(kù)[A];第二十屆全國(guó)數(shù)據(jù)庫(kù)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（技術(shù)報(bào)告篇）[C];2003年

10 周旋;馮玉才;李碧波;孫小薇;;多服務(wù)器DBMS的Cache管理[A];數(shù)據(jù)庫(kù)研究與進(jìn)展95——第十三屆全國(guó)數(shù)據(jù)庫(kù)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];1995年

中國(guó)重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 上海 李超;什么是Cache[N];電腦報(bào);2001年

2 徐春梅;國(guó)際品牌進(jìn)入中國(guó)：適應(yīng)是關(guān)鍵[N];中國(guó)經(jīng)營(yíng)報(bào);2006年

3 劉昌勇;小緩存里的大學(xué)問[N];中國(guó)電腦教育報(bào);2004年

4 超頻者;K7-650（0015）最新實(shí)超報(bào)告[N];大眾科技報(bào);2000年

5 ;阿萌小辭典[N];電腦報(bào);2004年

6 山東 黃家貞;富有個(gè)性的離線瀏覽器——CacheX[N];電腦報(bào);2001年

7 中國(guó)計(jì)算機(jī)報(bào)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室 王炳晨;Duron抵京，，Thunderbird爭(zhēng)宏[N];中國(guó)計(jì)算機(jī)報(bào);2000年

8 廣東 李鋒;妙用 Cache 優(yōu)化 Windows 2000[N];電腦報(bào);2001年

9 巖公;電信網(wǎng)加速不難[N];中國(guó)計(jì)算機(jī)報(bào);2003年

10 北京共創(chuàng)開源軟件股份有限公司 董孝峰;共創(chuàng)NC的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[N];中國(guó)計(jì)算機(jī)報(bào);2004年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 黃安文;面向延遲優(yōu)化的多核處理器Cache數(shù)據(jù)管理機(jī)制研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

2 張軼;多核實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D];東北大學(xué);2014年

3 鄭重;異構(gòu)眾核體系結(jié)構(gòu)Cache功耗和性能優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2014年

4 周宏偉;微處理器中Cache漏流功耗的體系結(jié)構(gòu)級(jí)優(yōu)化技術(shù)研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2007年

5 田新華;面向性能優(yōu)化的壓縮cache技術(shù)研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2007年

6 陳黎明;嵌入式微處理器中動(dòng)態(tài)可配置Cache結(jié)構(gòu)的研究[D];華中科技大學(xué);2009年

7 付雄;利用程序分析和優(yōu)化提高Cache性能[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2007年

8 賈小敏;多核處理器片上Cache訪問行為分析與優(yōu)化機(jī)制研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

9 唐軼軒;面向多線程應(yīng)用的Cache優(yōu)化策略及并行模擬研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2012年

10 項(xiàng)曉燕;體系結(jié)構(gòu)級(jí)Cache功耗優(yōu)化技術(shù)研究[D];浙江大學(xué);2013年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 舒晰;支持多媒體計(jì)算的可重構(gòu)Cache研究與設(shè)計(jì)[D];湖南大學(xué);2008年

2 楊向峰;一種32位DSP cache的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)研究[D];江南大學(xué);2008年

3 蘇小昆;基于Tournament Caching的低功耗動(dòng)態(tài)可重構(gòu)Cache研究[D];湖南大學(xué);2009年

4 郝玉艷;嵌入式系統(tǒng)中低功耗Cache的研究與設(shè)計(jì)[D];湖南大學(xué);2009年

5 潘麗君;動(dòng)態(tài)二進(jìn)制翻譯器中Code Cache管理策略的研究與分析[D];上海交通大學(xué);2009年

6 劉彬;基于路暫停方法的高性能低功耗Cache研究[D];湖南大學(xué);2007年

7 彭方;路預(yù)測(cè)與可重構(gòu)Cache的自適應(yīng)低能耗算法研究[D];湖南大學(xué);2008年

8 胡濤;面向存儲(chǔ)器完整性驗(yàn)證的Cache設(shè)計(jì)[D];華中科技大學(xué);2011年

9 劉清;嵌入式系統(tǒng)中低功耗可重構(gòu)Cache的研究與設(shè)計(jì)[D];湖南大學(xué);2012年

10 李冬妮;嵌入式系統(tǒng)中低功耗Cache的重構(gòu)技術(shù)研究[D];湖南大學(xué);2012年

本文編號(hào)：742005