面向非易失内存的结构和系统级设计与优化综述
发布时间：2021-07-04 08:27
当今各类计算机应用都进入一个飞速发展的阶段,无论是"计算密集型"还是"存储密集型"应用都对存储系统的容量、性能以及功耗不断提出更高的要求.然而,由于传统内存工艺（DRAM）的发展落后于计算逻辑工艺（CMOS）,基于DRAM的内存设计逐渐无法满足这些设计需求.同时,基于HDD的外存性能与DRAM主存间的差距也逐渐增加.而各种非易失存储工艺取得长足的进步,为解决这一问题提供了新的机遇.本文就近年来针对非易失内存的结构和系统级设计与优化的研究工作进行综述,揭示非易失内存对存储系统的性能、功耗等都有明显的改善.
【文章来源】：华东师范大学学报(自然科学版). 2014,(05)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
各种类型的应用负载的IJO特性
华东师范大学学报（自然科学版）２０１４年各种应用的Ｉ／Ｏ对于吞吐和延迟不同的需求决定了需要有不同的存储设备为之服务，非易失存储的出现不仅能够显著降低引入大量内存产生的静态功耗，同时丰富了存储层次结构，有望填补ＤＲＡＭ内存和硬盘之间不断扩大的鸿沟，如图２［２］所示．图２存储结构层次Ｆｉｇ．２Ｍｅｍｏｒｙｈｉｅｒａｒｃｈｙ在内存计算的场景下，非易失内存有着广泛的应用场景．（１）ＮＶＭ有着比ＮＡＮＤＦｌａｓｈＳＳＤ更好的延迟和吞吐，其ＩＯ性能比ＳＳＤ好１００倍以上；（２）ＮＶＭ的存储密度比ＤＲＡＭ更大，因此在同等面积／内存插槽的情况下，它能给多核环境下的ＣＰＵ提供更多的数据；（３）在前两点因素的共同作用下，对于存储一定量的数据并满足一定性能需求的条件下，使用ＳＣＭ技术能降低所需要的机器数量．例如：ＳＡＰ公司已经把非易失内存技术的应用研究作为它们内存计算技术研究的一个重点［３］，此外，Ｖｉｒｉｄｅｎｔ公司已经着手对ＭｙＳＱＬＩｎｎｏＤＢ和ＭｅｍＣａｃｈｅｄ用在ＳＣＭ的情况进行了优化［４］，使这些系统得到更好的利用．１基本知识如前言所述，维护已有３０多年历史的基于ＤＲＡＭ和ＨＤＤ的传统主存和外存结构，已经成为面向新兴应用计算系统面临的主要挑战．本章节首先介绍两类主要的非易失内存结构，并通过对各种非易失存储器件的分析，探讨适合这两类非易失内存结构的存储器件．如图３［３５］所示，本文所指的非易失内存主要分为两类：（１）兼容传统主存控制器（ｍｅｍｏ－ｒｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）的非易失主存（
第５期孙广宇，等：面向非易失内存的结构与系统级设计与优化综述图３两类非易失内存的示意图Ｆｉｇ．３Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｗｏｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅｍｅｍｏｒｙｔｙｐｅｓ通过两类非易失内存特性的对比，可以看出两类非易失内存对所采用的存储器件工艺提出不同的需求．同时，针对网络搜索、内存计算、数据挖掘、移动计算等多种应用，即使同一类非易失内存也会针对实际应用进行不同侧重点的的设计及优化．因此，当今各种主流的闪存（ＦＬＡＳＨ）、铁电存储器（ＦｅＲＡＭ）、磁存储器（ＭＲＡＭ）、相变存储器（ＰＲＡＭ）、阻变存储器（ＲＲＡＭ）等非易失存储器件都是制造非易失内存的潜在竞争者［１４］．下文首先对集中非易失存储器件进行介绍，并分析其可能应用的场景．闪存（ＦＬＡＳＨ）通过选择是否在浮栅中存放电荷进而存储数据．Ｆｌａｓｈ依据存储单元分为与非（ＮＡＮＤ）和或非（ＮＯＲ）两种结构．ＮＯＲ可以提供高达１００ＭＢ／ｓ的读写速度，而ＮＡＮＤ却可以达到数倍于ＮＯＲ的存储密度，可以达到较低的生产成本．同时，３Ｄ堆叠技术将多层Ｆｌａｓｈ存储单元堆叠在一起，为提高存储密度提供了新的途径［１５］．目前，进入２２ｎｍ及以下的多比特与非闪存（ＭＬＣＮＡＮＤＦｌａｓｈ）已被业界用于生产固态硬盘（ＳＳＤ），三星、闪迪等公司均发布１Ｔ的ＭＬＣＦｌａｓｈ．相比于传统ＨＤＤ，ＮＡＮＤＦｌａｓｈ具备低延时、高吞吐、低功耗的优势，但是性能尚无法与ＤＲＡＭ相比，同时考虑到其擦写寿命问题，ＮＡＮＤＦｌａｓｈ通常适合于设计大容量，高吞吐的ＳＣＭ．铁电存储器
本文编号：3264427
【文章来源】：华东师范大学学报(自然科学版). 2014,(05)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
各种类型的应用负载的IJO特性
华东师范大学学报（自然科学版）２０１４年各种应用的Ｉ／Ｏ对于吞吐和延迟不同的需求决定了需要有不同的存储设备为之服务，非易失存储的出现不仅能够显著降低引入大量内存产生的静态功耗，同时丰富了存储层次结构，有望填补ＤＲＡＭ内存和硬盘之间不断扩大的鸿沟，如图２［２］所示．图２存储结构层次Ｆｉｇ．２Ｍｅｍｏｒｙｈｉｅｒａｒｃｈｙ在内存计算的场景下，非易失内存有着广泛的应用场景．（１）ＮＶＭ有着比ＮＡＮＤＦｌａｓｈＳＳＤ更好的延迟和吞吐，其ＩＯ性能比ＳＳＤ好１００倍以上；（２）ＮＶＭ的存储密度比ＤＲＡＭ更大，因此在同等面积／内存插槽的情况下，它能给多核环境下的ＣＰＵ提供更多的数据；（３）在前两点因素的共同作用下，对于存储一定量的数据并满足一定性能需求的条件下，使用ＳＣＭ技术能降低所需要的机器数量．例如：ＳＡＰ公司已经把非易失内存技术的应用研究作为它们内存计算技术研究的一个重点［３］，此外，Ｖｉｒｉｄｅｎｔ公司已经着手对ＭｙＳＱＬＩｎｎｏＤＢ和ＭｅｍＣａｃｈｅｄ用在ＳＣＭ的情况进行了优化［４］，使这些系统得到更好的利用．１基本知识如前言所述，维护已有３０多年历史的基于ＤＲＡＭ和ＨＤＤ的传统主存和外存结构，已经成为面向新兴应用计算系统面临的主要挑战．本章节首先介绍两类主要的非易失内存结构，并通过对各种非易失存储器件的分析，探讨适合这两类非易失内存结构的存储器件．如图３［３５］所示，本文所指的非易失内存主要分为两类：（１）兼容传统主存控制器（ｍｅｍｏ－ｒｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）的非易失主存（
第５期孙广宇，等：面向非易失内存的结构与系统级设计与优化综述图３两类非易失内存的示意图Ｆｉｇ．３Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｗｏｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅｍｅｍｏｒｙｔｙｐｅｓ通过两类非易失内存特性的对比，可以看出两类非易失内存对所采用的存储器件工艺提出不同的需求．同时，针对网络搜索、内存计算、数据挖掘、移动计算等多种应用，即使同一类非易失内存也会针对实际应用进行不同侧重点的的设计及优化．因此，当今各种主流的闪存（ＦＬＡＳＨ）、铁电存储器（ＦｅＲＡＭ）、磁存储器（ＭＲＡＭ）、相变存储器（ＰＲＡＭ）、阻变存储器（ＲＲＡＭ）等非易失存储器件都是制造非易失内存的潜在竞争者［１４］．下文首先对集中非易失存储器件进行介绍，并分析其可能应用的场景．闪存（ＦＬＡＳＨ）通过选择是否在浮栅中存放电荷进而存储数据．Ｆｌａｓｈ依据存储单元分为与非（ＮＡＮＤ）和或非（ＮＯＲ）两种结构．ＮＯＲ可以提供高达１００ＭＢ／ｓ的读写速度，而ＮＡＮＤ却可以达到数倍于ＮＯＲ的存储密度，可以达到较低的生产成本．同时，３Ｄ堆叠技术将多层Ｆｌａｓｈ存储单元堆叠在一起，为提高存储密度提供了新的途径［１５］．目前，进入２２ｎｍ及以下的多比特与非闪存（ＭＬＣＮＡＮＤＦｌａｓｈ）已被业界用于生产固态硬盘（ＳＳＤ），三星、闪迪等公司均发布１Ｔ的ＭＬＣＦｌａｓｈ．相比于传统ＨＤＤ，ＮＡＮＤＦｌａｓｈ具备低延时、高吞吐、低功耗的优势，但是性能尚无法与ＤＲＡＭ相比，同时考虑到其擦写寿命问题，ＮＡＮＤＦｌａｓｈ通常适合于设计大容量，高吞吐的ＳＣＭ．铁电存储器
本文编号：3264427
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