基于相变存储器的混合存储系统关键技术研究

发布时间：2018-02-03 18:06

本文关键词： 相变存储器混合存储系统页面置换空间管理页面分配数据划分数据迁移　出处：《中国科学技术大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：在过去几十年,计算机技术得到了高速发展,一方面,计算机多处理器技术允许不同线程或应用并行运行,其中数据集的规模随着并行程序的数量增长而增长,对主存的容量和数据访问性能的需求越来越大。另一方面,信息时代数据呈爆炸式增长,海量数据对计算机系统的高效处理和存储需求也越来越高。扩大DRAM主存容量虽然能显著提升数据访问性能,但系统面临着高成本、高能耗开销、及单节点DRAM容量扩充困难等问题；闪存SSD的快速发展和普及一定程度上加快了系统对二级存储的数据访问,但写前擦除的特性使得SSD的I／O性能提升有限,CPU仍需经过漫长的I/O过程完成数据访问。传统存储架构无法避免数据存取中DRAM主存和磁盘之间的性能瓶颈问题,无法满足用户的高效数据访问和存储需求,计算机存储系统亟需一种创新的存储架构和数据管理方法来提升系统的性能。相变存储器(Phase Change Memory, PCM)凭着其非易失、随机访问性能高、可字节寻址、静态能耗低等优点,模糊了主存与二级存储之间的界限,为计算机存储体系设计带来了技术变革,有望突破现有的存储架构,实现高性能的数据存储和管理。然而PCM也存在诸多不足之处,如读写不对称、写延迟是DRAM的6～-10倍、及写寿命有限等。因此,PCM无法完全替代传统DRAM主存,而是与DRAM构成混合存储系统。基于PCM的混合存储系统研究是一个全新的研究课题,基于上述背景,本文对PCM混合主存系统和持久存储系统的已有研究成果进行了总结分析,指出相关研究领域的主要问题,并对PCMDRAM同级混合主存系统和设备级PCM存储子系统的关键技术展开研究工作。基于PCMDRAM同级混合主存系统的关键技术包括主存页面管理和空闲空间管理与分配等,这些技术不仅需要保持与传统主存技术相同的设计目标,还需要尽量延长PCM的使用寿命。混合主存系统的主存页面管理直接影响系统的数据访问性能,在传统的主存页面管理策略中提高命中率是主要的设计目标,而在混合主存架构中,不仅要保证算法命中率,还要尽量减少对PCM的写操作。本文针对主存页面管理中的关键技术如页面置换、数据划分方法和迁移等,提出了一系列混合主存页面管理方案,包括利用页面的历史读写信息预测页面的读写倾向性,引入最近写距离和写操作局部性定义和预测页面的写热度,数据读入主存时预测其访问模式从而为其分配合适的主存介质减少不必要的迁移操作等。基于PCMDRAM同级混合主存系统,本文对空闲空间管理与分配也展开了研究。论文首先分析J’已有的基于PCM主存的磨损均衡算法中页面交换操作对计算机主存系统性能造成的影响和传统主存空闲空间管理算法应用到PCM上存在的磨损问题,然后提出了一种PCM磨损友好的主存空闲空间管理和分配方法,利用最小堆的思想进行空闲空间组织,将磨损均衡与主存空闲空间分配相结合,既保证空间分配效率,又避免了磨损均衡算法中的页面交换机制带来的写放大问题。PCM也有望成为新兴的持久数据存储设备,本文还针对设备级PCM存储子系统提出了一种空间管理方法,设计了一种基于PCM页面磨损的页面分类方法,并通过新颖的缓冲区管理策略、PCM空闲页面分配回收机制、和数据迁移方法等协调合作,显著延长PCM的使用寿命。论文的主要贡献如下：(1) 基于PCMDRAM同级混合主存架构,提出了基于历史读写信息的缓冲区管理技术。该技术通过页面的读写信息评估和预测其读写倾向性,进而进行数据划分,通过准确的空间分配和有效的数据迁移减少PCM的写操作。(2) 基于PCMDRAM同级混合主存架构,提出了基于写冷热划分的主存页面管理方法,引入最近写距离和写操作局部性来定义和预测页面的写热度,利用写clock链表来跟踪页面写热度随时间的变化情况,实现页面写热度的动态监测和页面的动态迁移,减少PCM主存的写操作。(3)针对PCM主存,提出一种PCM主存空闲空间管理和分配方法。该方法根据空闲块的磨损程度实现基于最小堆数组的空闲连续空间管理,并将PCM磨损均衡思想与PCM主存空闲空间分配相结合,避免了磨损均衡中页面交换带来的写放大问题。(4)针对以DRAM作为缓冲的设备级PCM,提出新颖的空间管理方法。该方法设计了动态桶双链的结构来进行页面组织和聚类,结合缓冲区管理中的延迟缓冲策略和面向磨损均衡的PCM空间管理策略,达到延长PCM使用寿命的目的。
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【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP333

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