非易失性存储器件的性能、可靠性及应用

随着大数据和人工智能应用的发展,数据呈现爆发式增长,对数据存储的需求日益加剧。传统内存技术的容量已经接近其物理存储密度的极限,而非易失性存储器具有按字节寻址、能耗低、读写速度快等优良特性,有望替代传统的动态随机存储器或磁盘技术。然而,该介质本身也存在一些不足,如使用寿命有限、读写速度不对称、磨损不均衡和错误来源多样等缺点。该文通过阐述常见非易失性存储器的存储原理,调研并总结了一些现有改进技术。     

基于非易失性存储器的存储引擎性能优化

非易失性存储器具有接近内存的读写速度,可利用其替换传统的存储设备,从而提升存储引擎的性能。但是,传统的存储引擎通常使用通用块接口读写数据,导致了较长的 I/O 软件栈,增加了软件层的读写延迟,进而限制了非易失性存储器的性能优势。针对这一问题,该文以 Ceph 大数据存储系统为基础,研究设计了基于非易失性存储器的新型存储引擎 NVMStore,通过内存映射的方式访问存储设备,根据非易失性存储器的字节可寻址和数据持久化特性,优化数据读写流程,从而减小数据写放大以及软件栈的开销。实验结果表明,与使用非易失性存储器的传统存储引擎相比,NVMStore能够显著提升 Ceph 的小块数据读写性能。     

基于DRAM牺牲Cache的异构内存页迁移机制

当海量数据请求访问异构内存系统时,异构内存页在动态随机存储器(dynamic random access memory,DRAM)和非易失性存储器(non-volatile memory,NVM)之间进行频繁的往返迁移.然而,应用于传统内存页的迁移策略难以适应内存页"冷""热"度的快速动态变化,这使得从DRAM迁移至N...     

一种高效的混合内存布局机制与编码技术

随着大数据和多核技术的发展,传统内存技术的发展已经远远不能满足大量数据密集型应用涌现所催生的内存计算需求。近年来,新型非易失性存储器(NVM)的兴起与发展为打破传统内存技术瓶颈提供了契机。相变存储器(PCM)作为一种典型的新型非易失性存储器(NVM),与传统内存DRAM各有优势,被认为是最有可能代替传统内存DRAM的存储器,在内存应用中具有很好的发展前景。基于DRAM和PCM的混合内存使得同时发挥DRAM与PCM各自的优势成为可能,故提出一种DRAM与PCM混合内存架构,设计针对混合内存布局的高效读写策略及数据迁移机制,并且在混合内存系统中应用纠删码来提高系统的可靠性。实验表明,此混合内存系统能够大大减少能耗,提高数据吞吐量,同时保证读写的可靠性。     

基于NVM的存储安全综述

大数据时代的来临为存储系统提供了新的机遇,同时也提出了新的挑战。传统的基于动态随机存储(DRAM)的内存架构面临着容量、能耗、可靠性等方面的问题;新型非易失存储器件(Non-Volatile Memory,NVM)具有非易失、字节寻址、空闲能耗低等优势,可以作为外存、内存或存储级内存(Storage Class Memory,SCM),为未来存储系统的变革提供了新选择,但同时也存在一些安全问题。NVM器件本身的耐久性有限,频繁对某一位置进行写操作时会造成该位置磨损,从而缩短设备的寿命;同时,由于具有非易失性,NVM被用作内存时,断电后数据不会丢失,攻击者可以通过窃取数据来提取敏感信息或对数据进行篡改;当NVM与DRAM构成混合内存时,可能会产生指针指向不明等问题;NVM作为SCM时,应用程序通过存取(load/store)接口直接对其进行访问,绕过了文件系统等权限管理和一致性管理机制。针对这些问题,文中总结了磨损均衡、减少写操作、减少写入量、内存加密、设计一致性机制、设计权限管理机制等解决办法;最后从硬件、操作系统以及编程模型层面探讨了 仍须关注的NVM安全问题。     

轻量级安全内存：RISC-V嵌入式微处理器安全增强

近年来,针对嵌入式设备中硬件的新型攻击不断出现,严重威胁嵌入式设备的安全.特别是随着非易失性存储器开始被配备到嵌入式设备中,就需要考虑如何保护配备非易失性存储器的嵌入式设备的安全.安全内存,就是这样一种通过保护内存来增强嵌入式设备安全性的有效手段.通过设计一种安全内存加密引擎来实现安全内存.在保证该安全内存加密引擎足够轻量、开销低的同时,将其集成到RISC-V嵌入式微处理器中,并通过FPGA对该安全内存加密引擎进行了评估.评估结果表明,安全内存加密引擎能够在提升RISC-V嵌入式微处理器安全性的同时,保证其合理的访存性能以及较小的面积开销.研究结果具有良好的参考价值和应用前景.     

飞思卡尔扩展MRAM产品系列引领非易失性存储器的未来

经常有人将磁阻RAM(MRAM,Magnetoresistive Random Access Memory)称作是非易失性存储器(NVRAM, Non-Volatile RAM)未来的关键性技术.作为一项非易失性存储器技术,MRAM是可以在掉电时保留数据,并且不需要定期刷新.MRAM利用磁性材料和传统的硅电路在单个器件中提供了SRAM的高速度和闪存的非易失性,它的寿命几乎是没有限制的.MRAM器件可以用于高速缓冲器、配置内存,以及其他要求高速、耐用和非易失性的商业应用.     

基于相变存储器的存储技术研究综述

以数据为中心的大数据技术给计算机存储系统带来了机遇和挑战.传统的基于动态随机存储器(DRAM)器件的内存面临工艺尺寸缩小至2X nm及以下所带来的系统稳定性、数据可靠性等问题;相变存储器(PCM)具有非易失性、存储密度高、功耗低、抗辐射干扰等优点,且读写性能接近DRAM,是未来最有可能取代DRAM的非易失存储器,它为存储系统的研究和设计提供了新的解决方案.文中在归纳相变存储器器件发展和研究现状的基础上,对相变存储器在系统级的应用方式和面临的问题进行了比较和分析,研究了基于相变存储器的内存技术和外存技术,分析了当前在PCM的寿命、写性能、延迟、功耗等方面所提出的解决方案,指出了现有方案的优势和面临的缺陷,并探讨了未来的研究方向,为该领域在今后的发展提供了一定的参考.     

利用相变存储器不对称性的写入优化方法

相变存储器具有集成度高、功耗低、非易失等优良特性,是作为非易失性内存最有潜力的存储介质之一。如何降低其写入延时和增加其使用寿命,是PCM作为非易失性内存时亟需解决的问题。为此,提出利用相变存储器擦除和写入时间不对称的特点擦写独立的写入方法,RSIW（Reset and Set Independently Write）。该方法不同于传统的写入方案,将写和擦的操作分离,让慢速的写操作在空闲时进行,使得相变存储器的写入速度获得显著提升。同时,RSIW还能结合磨损均衡的策略,有效地均衡各个块的写入频率。对擦写独立的写入方法和实施细节进行了描述,对比了同类使用相变存储器擦写不对称性进行优化的方案,最后使用gem5仿真器进行了实验,根据实验结果,该方法对比同类的技术能将系统的运行效率提高37.1%~69.1%。     

基于持久化内存的索引设计重新思考与优化

非易失性内存(non-volatile memory,NVM)是近几年来出现的一种新型存储介质.一方面,同传统的易失性内存一样,它有着低访问延迟、可字节寻址的特性;另一方面,与易失性内存不同的是,掉电后它存储的数据不会丢失,此外它还有着更高的密度以及更低的能耗开销.这些特性使得非易失性内存有望被大规模应用在未来的计算机系统中.非易失性内存的出现为构建高效的持久化索引提供了新的思路.由于非易失性硬件还处于研究阶段,因此大多数面向非易失性内存的索引研究工作基于模拟环境开展.在2019年4月英特尔发布了基于3D-XPoint技术的非易失性内存硬件apache pass(AEP),这使得研究人员可以基于真实的硬件环境去进行相关研究工作.首先评测了真实的非易失性内存器件,结果显示AEP的写延迟接近DRAM,而读延迟是DRAM的3~4倍.基于对硬件的实际评测结果,研究发现过去很多工作对非易失性内存的性能假设存在偏差,这使得过去的一些工作大多只针对写性能进行优化,并没有针对读性能进行优化.因此,重新审视了之前研究工作,针对过去的混合索引工作进行了读优化.此外,还提出了一种基于混合内存的异步缓存方法.实验结果表明,经过异步缓存方法优化后的混合索引读性能是优化前的1.8倍,此外,经过异步缓存优化后的持久化索引最多可以降低50%的读延迟.     

An energy-efficient encryption mechanism for NVM-based main memory in mobile systems

Emerging non-volatile memory (NVM) has been considered as the most promising candidate of DRAM for future main memory design in mobile devices. NVM-based main memory exhibits attractive features, such as byte-addressability, low standby power, high density and near DRAM performance. However, the nature of non-volatility makes NVM vulnerable to be attacked by malicious programs. Though several data encryption techniques have been proposed to solve this problem, they do not consider the limited resources in mobile systems. To address this issue, in this paper, we propose an energy-efficient encryption mechanism, named MobiLock, to effectively enhance the security of NVM-based main memory in mobile systems. The basic idea is to enhance the encryption and decryption performance by utilizing cache and concurrency mechanisms, respectively. To achieve this, we first develop a cache mechanism to cache the encrypted intermediate data (i.e., PAD) whose plaintexts are updated frequently, for accelerating decryption and reducing recomputation of PAD. We then propose a concurrency mechanism to read the ciphertext in NVM and calculate the PAD simultaneously, to reduce the decryption latency. The evaluation results show that our technique can effectively reduce encryption energy consumption and decryption latency, respectively.     

面向新型非易失存储的文件系统研究综述

新型非易失存储(NVM)可字节寻址,具有近似内存的低延迟特性以及外存的非易失性,受限于软硬件技术成熟度,目前首先被用于外存.讨论了NVM用于持久性外存所面临的一系列问题,以及管理上的一些挑战;对现有的典型NVM文件系统及其主要特性进行了梳理.归纳起来,这些特性主要围绕降低一致性开销、降低软件栈开销、内存与外存的融合、分布式文件系统、NVM文件系统安全、容错、空间管理几个方面展开.最后,展望了NVM文件系统仍然有待探讨的几个研究方向,包括扩展性问题、虚拟内存与文件系统的有机融合以及分布式文件系统等.     

WOBTree: a write-optimized B+-tree for non-volatile memory

The emergence of non-volatile memory (NVM) has introduced new opportunities for performance optimizations in existing storage systems. To better utilize its byte-addressability and near-DRAM performance, NVM can be attached on the memory bus and accessed via load/store memory instructions rather than the conventional block interface. In this scenario, a cache line (usually 64 bytes) becomes the data transfer unit between volatile and non-volatile devices. However, the failureatomicity of write on NVM is the memory bit width (usually 8 bytes). This mismatch between the data transfer unit and the atomicity unit may introduce write amplification and compromise data consistency of node-based data structures such as B+-trees. In this paper, we propose WOBTree, a Write-Optimized B+-Tree for NVM to address the mismatch problem without expensive logging. WOBTree minimizes the update granularity from a tree node to a much smaller subnode and carefully arranges the write operations in it to ensure crash consistency and reduce write amplification. Experimental results show that compared with previous persistent B+-tree solutions, WOBTree reduces the write amplification by up to 86× and improves write performance by up to 61× while maintaining similar search performance.     

一种基于时间戳的高扩展性的持久性软件事务内存

新兴的非易失性内存(non-volatile memory,NVM)具有字节寻址、持久性、大容量和低功耗等优点,然而,在NVM上进行并发编程往往比较困难,用户既要保证数据的崩溃一致性又要保证并发的正确性.为了降低用户开发难度,研究人员提出持久性事务内存方案,但是现有持久性事务内存普遍存在扩展性较差问题.测试发现限制扩展性的关键因素在于全局逻辑时钟和冗余NVM写操作.针对这2个方面,提出了线程逻辑时钟方法,通过允许每个线程拥有一个独立时钟,消除全局逻辑时钟中心化问题;提出了缓存行感知的双版本方法,为数据维护2个版本,通过循环更新这2个版本来保证数据的崩溃一致性,从而消除冗余的NVM写操作.基于所提出的这2个方法,实现了一个基于时间戳的高扩展的持久性软件事务内存(scalable durable transactional memory,SDTM),对比测试显示,在YCSB负载下,与DudeTM和PMDK相比,SDTM的性能最多分别提高了2.8倍和29倍.     

Resource abstraction and data placement for distributed hybrid memory pool

Emerging byte-addressable non-volatile memory (NVM) technologies offer higher density and lower cost than DRAM, at the expense of lower performance and limited write endurance. There have been many studies on hybrid NVM/DRAMmemory management in a single physical server. However, it is still an open problem on how to manage hybrid memories efficiently in a distributed environment. This paper proposes Alloy, a memory resource abstraction and data placement strategy for an RDMA-enabled distributed hybrid memory pool (DHMP). Alloy provides simple APIs for applications to utilize DRAM or NVM resource in the DHMP, without being aware of the hardware details of the DHMP. We propose a hotness-aware data placement scheme, which combines hot data migration, data replication and write merging together to improve application performance and reduce the cost of DRAM. We evaluate Alloy with several micro-benchmark workloads and public benchmark workloads. Experimental results show that Alloy can significantly reduce the DRAM usage in the DHMP by up to 95%, while reducing the total memory access time by up to 57% compared with the state-of-the-art approaches.     

Extending SSD Lifespan with Comprehensive Non-Volatile Memory-Based Write Buffers

Journal of Computer Science and Technology - New non-volatile memory (NVM) technologies are expected to replace main memory DRAM (dynamic random access memory) in the near future. NAND flash...     

NVRC:一种面向NVM的写限制日志方案

非易失性内存(Non-Volatile Memory,NVM)具有支持按字节寻址、持久性、存储密度高、读写延迟低等特点,因此成为解决DRAM(Dynamic Random Access Memory)容量有限问题的首选技术。随着数据库系统中NVM的引入,传统的日志技术需要考虑如何适应NVM特性。首先总结了已有的面向NVM的日志技术研究,进而提出了一种尽可能限制NVM写操作的数据库日志方案NVRC(Non-Volatile Record-updating with Cacheline)。文中提出了结合异地更新和原地更新的日志管理方案。具体而言,NVRC在异地更新的“影子记录”的基础上,引入了“缓存行原地更新”策略,并通过代价分析选择合理的日志更新策略,从而减少对NVM的写操作。采用DRAM模拟NVM的方式在YCSB测试负载上进行了实验,并对比了NVRC与传统的WAL(Write Ahead Log)以及NVM感知的PCMLx(PCMLoggingx)方法。结果表明,NVRC的NVM写次数在修改均匀的情况下比WAL和PCMLx分别减少了54%和17%,同时更新性能分别提升了59%和10%。     

Unimem: Runtime Data Management on Non-Volatile Memory-Based Heterogeneous Main Memory for High Performance Computing

Non-volatile memory(NVM)provides a scalable and power-efficient solution to replace dynamic random access memory(DRAM)as main memory.However,because of the relatively high latency and low bandwidth of NVM,NVM is often paired with DRAM to build a heterogeneous memory system(HMS).As a result,data objects of the application must be carefully placed to NVM and DRAM for the best performance.In this paper,we introduce a lightweight runtime solution that automatically and transparently manages data placement on HMS without the requirement of hardware modifications and disruptive change to applications.Leveraging online profiling and performance models,the runtime solution characterizes memory access patterns associated with data objects,and minimizes unnecessary data movement.Our runtime solution effectively bridges the performance gap between NVM and DRAM.We demonstrate that using NVM to replace the majority of DRAM can be a feasible solution for future HPC systems with the assistance of a software-based data management.