基于X24C45芯片的非易失性数据存储设计

介绍了一种设计思想独特的非易失性存储器X24C45,其特点是能满足频繁更新数据和快速存取数据的需求。强调了在硬件设计时应特别注意的问题,给出了有关该芯片操作的编程实例。     

新型非易失性存储器架构的缓存优化方法综述

随着半导体工艺的发展,处理器集成的片上缓存越来越大,传统存储器件的漏电功耗问题日益严峻,如何设计高能效的片上存储架构已成为重要挑战.为解决这些问题,国内外研究者讨论了大量的新型非易失性存储技术,它们具有非易失性、低功耗和高存储密度等优良特性.为探索spin-transfer torque RAM (STT-RAM),phase change memory (PCM),resistive RAM (RRAM)和domain-wall memory(DWM)四种新型非易失性存储器(non-volatile memory,NVM)架构缓存的方法,对比了其与传统存储器件的物理特性,讨论了其架构缓存的优缺点和适用性,重点分类并总结了其架构缓存的优化方法和策略,分析了其中针对新型非易失性存储器写功耗高、写寿命有限和写延迟长等缺点所作出的关键优化技术,最后探讨了新型非易失性存储器件在未来缓存优化中可能的研究方向.     

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。     

基于新型存储器件的分布式文件系统性能优化

新型存储器件的I/O性能通常比传统固态驱动器（SSD）高一个数量级，然而使用新型存储器件的分布式文件系统相对于使用SSD的分布式文件系统性能并没有显著的提高，这说明目前的分布式文件系统并不能充分发挥新型存储器件的性能。针对这个问题，对Hadoop分布式文件系统（HDFS）的数据写入流程及传输过程进行了量化分析。通过量化分析HDFS数据写入过程各阶段的时间开销，发现在写入数据的各个阶段中，节点间数据传输的时间占比较大。因此提出了对应的优化方案，通过异步写入的方式并行化数据传输与处理过程，使得不同数据包的处理阶段叠加起来，减少了数据包整体的处理时间，从而提升了HDFS的写入性能。实验结果表明，所提方案将HDFS的写入吞吐量提升了15%~24%，总体的写入执行时间降低了28%~36%。     

基于新型存储器件的分布式文件系统性能优化

新型存储器件的I/O性能通常比传统固态驱动器（SSD）高一个数量级,然而使用新型存储器件的分布式文件系统相对于使用SSD的分布式文件系统性能并没有显著的提高,这说明目前的分布式文件系统并不能充分发挥新型存储器件的性能。针对这个问题,对Hadoop分布式文件系统（HDFS）的数据写入流程及传输过程进行了量化分析。通过量化分析HDFS数据写入过程各阶段的时间开销,发现在写入数据的各个阶段中,节点间数据传输的时间占比较大。因此提出了对应的优化方案,通过异步写入的方式并行化数据传输与处理过程,使得不同数据包的处理阶段叠加起来,减少了数据包整体的处理时间,从而提升了HDFS的写入性能。实验结果表明,所提方案将HDFS的写入吞吐量提升了15%~24%,总体的写入执行时间降低了28%~36%。     

影响非易失性内存系统性能的因素分析

新型非易失性存储器(non-volatile memory,NVM)具有扩展性好、静态能耗低、非易失性等特点,基于NVM的内存系统有望在未来补充甚至替代DRAM内存.但是NVM写延迟较长、写耐久性有限、动态写能耗高的问题,对NVM的实际应用产生了挑战.NVM内存系统如何影响应用程序,哪些因素会影响NVM内存系统的性能,是一个值得研究的问题.初步评测了NVM内存系统的性能,所提出的NVM内存包括两种:一种是只有NVM的内存(NVM-only memory);另一种是DRAM/NVM构成的混合内存.同时对比了NVM内存与DRAM内存的性能,分析了影响NVM内存系统的因素.最后,讨论了NVM内存系统研究的未来工作.     

测控仪表非易失性数据存储的软件设计

以温度测控仪表为例分析了单片机系统进行非易失性数据存储时软件要解决的几个问题。运用指针解决了定义重合与地址重合问题，运用给RAM打软标记的办法解决了控制参数的初始化问题，给出了相应的C51程序。实践表明此方法易于操作，可靠性高。     

基于非易失存储器的事务存储系统综述

随着非易失存储器的出现和广泛使用,存储体系结构正在发生根本改变.传统数据库系统与文件系统事务处理技术大多基于磁盘设备,设计之初并未考虑非易失存储器特性.为了充分利用非易失存储器特性,缩小计算机系统的I/O性能与CPU处理性能之间的差距,基于非易失存储器的事务存储系统与技术成为了研究热点.首先讨论了软件层事务处理技术的现状,分别介绍了传统数据库系统与文件系统事务处理常用技术;然后依据闪存和相变内存进行划分,对现有基于非易失存储器的事务存储系统与技术进行了讨论;最后给出了基于非易失存储器的事务存储系统研究展望.在基于闪存的事务存储相关研究中,首先分析了使用传统设备接口闪存设备加速事务处理的系统设计,然后重点分析了基于专用事务接口的事务闪存存储系统研究,并对基于闪存的事务存储系统不同研究进行了比较.在基于相变内存的事务存储相关研究中,分别分析并比较了相变内存在主存环境和外存环境提供事务处理的技术,重点讨论了日志与缓存融合技术、细粒度日志技术等关键问题.     

MySQL存储引擎与数据库性能

MySQL中的数据用各种不同的技术存储在文件（或者内存）中．其每一种技术都使用不同的存储机制、索引技巧、锁定水平，并且最终提供广泛的功能。这些技术以及酡套的相关功能被称作存储引擎（或表类型）。文章讨论了索引顺序访问方法（MyISAM），InnoDB，内存（Memory）或堆（Heap），合并（Merge）以及实例（Example）等几种常见的MySQL存储引擎的特点，然后比较了MyISAM与InnoDB两种存储引擎在Windows和Linux两种平台下性能上的差异。     

面向新型非易失存储器的文件级磨损均衡机制

自旋转移力矩磁存储器(spin transfer torque random access memory, STTRAM)和磁阻式随机存储器(magnetic random access memory, MRAM)等新型存储器具有接近于DRAM的访问速度,是构建高性能外存系统和提高计算机系统性能的重要手段,但有限的写次数是其重要局限之一.设计了文件系统级磨损均衡机制,使用Hash函数分散文件在外存中的存储,避免在创建和删除文件时反复分配某些存储块,通过分配文件空间时选择写次数较低的存储块,避免写操作的集中;使用主动迁移策略,在外存系统I/O负载较低时主动迁移写次数较高的数据块,减少磨损均衡机制对I/O性能的影响.最后在开源的基于对象存储设备Open-osd上实现了面向新型存储器文件系统级磨损均衡机制的原型,使用存储系统通用测试工具filebench和postmark的多个通用数据集进行了测试与分析,验证了基于新型存储器的文件系统级磨损均衡机制能稳定地将存储块写次数差减少到原来的1/20左右,同时最高仅损失了6%的I/O性能和增加了0.5%的额外写操作,具有高效和稳定的特性.     

基于非易失性内存的持久化嵌入式内存数据库

随着近年来嵌入式应用的复杂化和多样化,工业界和学术界提出来用内存数据库满足嵌入式系统对数据处理性能不断提升的要求.然而,现有的内存数据库需要在磁盘或闪存等外存上持久化存储真实的数据库备份,并且以I/O操作的方式将数据库的更新操作同步回外存,有极大的性能开销.此外,这类数据库即便直接部署在新型非易失性内存（non-volatile memory,简称NVM)中,也因为缺乏内存中的持久化机制而不能脱离外存.针对现有内存数据库的不足,提出一套面向NVM的持久化内存数据库设计方案.该方案直接用数据库独立管理NVM,持久化存储NVM的空间信息以及内存数据库的元数据.依据该方案,在典型的内存数据库Redis的基础上实现了可在NVM上持久化的内存数据库.实验结果表明,该方案与既有Redis的持久化方案AOF相比,数据库的启动速度可提高2 400倍,关闭速度可提高5倍,set操作的速度可提高58倍,delete操作的速度可提升34倍.     

新型非易失存储研究

近年来,由于处理器性能和存储性能之间的差距不断扩大,存储系统成为计算机整体系统性能提升的瓶颈.随着微电子技术的迅速发展,新型非易失存储器件由于具有非易失、低能耗、良好的可扩展性和抗震等优良特性,得到了学术界和工业界的广泛关注.介绍了4种新型非易失存储器件,分别是STT-RAM,RRAM,PCRAM和FeRAM,对比了其与传统存储器件的性能参数.讨论了目前在存储架构中的不同层面(即缓存层、主存层和外存层)针对这些非易失存储器件的利用所开展的一些探索性工作,并分析了其中针对非易失存储器件的写次数有限、读写性能不均衡等不足所作出的一些策略设计.最后,对新型非易失存储器件的研究现状进行了总结,并提出了未来可能的发展方向.     

NV-Shuffle：基于非易失内存的Shuffle机制

Shuffle是大数据处理过程中一个极为重要的阶段.不同类型的Task(或者Stage)之间通过Shuffle进行数据交换.在Shuffle过程中数据需要进行持久化,以达到避免重计算和容错的目的.因此Shuffle的性能是决定大数据处理性能的关键因素之一.由于传统Shuffle阶段的数据通过磁盘文件系统进行持久化,所以影响Shuffle性能的一个重要因素是I/O开销,尤其是对基于内存计算的大数据处理平台,例如Spark,Shuffle阶段的磁盘I/O可能拖延数据处理的时间.而非易失内存(NVM)具有读写速度快、非易失性以及高密度性等诸多优点,它们为改变大数据处理过程中对磁盘I/O的依赖、克服目前基于内存计算的大数据处理中的I/O性能瓶颈提供了新机会.提出一种基于NVM的Shuffle优化策略——NV-Shuffle.NV-Shuffle摒弃了传统Shuffle阶段采用文件系统的存储方式,而使用类似于Memory访问的方式进行Shuffle数据的存储与管理,避免了文件系统的开销,并充分发挥NVM的优势,从而减少Shuffle阶段的耗时.在Spark平台上实现了NV-Shuffle,实验结果显示,对于Shuffle-heavy类型的负载,NV-Shuffle可节省大约10%~40%的执行时间.     

一个基于日志结构的非易失性内存键值存储系统

非易失性内存(non-volatile memory, NVM)技术是非常具有应用前景的计算机内存技术,将会对计算机存储层次结构产生极大的影响.NVM具有可字节寻址、可持久存储、低访问延迟等特点,这为DRAM和NVM在统一的主存储空间中的结合提供了巨大的机会.NVM可通过内存总线以及CPU相关指令进行数据访存,这使得在非易失性内存中设计快速的持久存储系统成为可能.现有的键值存储系统将NVM作为块设备使用,未能充分发挥NVM的性能.当硬件支持出现故障(例如高速缓存刷新)时,一些现有的键值存储系统无法保证数据的一致性.提出了一种基于日志结构的非易失性内存键值存储系统TinyKV,该系统利用键值数据负载的特性提出了一个静态并发、缓存友好的Hash表实现方案.TinyKV为每个工作线程维护单独的数据日志,以实现高并发性.此外,TinyKV采用日志结构技术进行内存管理,设计多层级内存分配器,以保证一致性.此外,系统通过减少对NVM的写入与缓存刷新指令,以降低写入延迟.实验显示：与传统的键值存储系统相比,TinyKV具有良好的吞吐性能与扩展能力.     

基于相变存储器的存储系统与技术综述

随着处理器和存储器之间性能差距的不断增大,“存储墙”问题日益突出,但传统DRAM器件的集成度已接近极限,能耗问题也已成为瓶颈,如何设计扎实有效的存储架构解决存储墙问题已成为必须面对的挑战.近年来,以相变存储器(phase change memory, PCM)为代表的新型存储器件因其高集成度、低功耗的特点而受到了国内外研究者的广泛关注.特别地,相变存储器因其非易失性及字节寻址的特性而同时具备主存和外存的特点,在其影响下,主存和外存之间的界限正在变得模糊,将对未来的存储体系结构带来重大变化.重点讨论了基于PCM构建主存的结构,分析了其构建主存中的写优化技术、磨损均衡技术、硬件纠错技术、坏块重用技术、软件优化等关键问题,然后讨论了PCM在外存储系统的应用研究以及其对外存储体系结构和系统设计带来的影响.最后给出了PCM在存储系统中的应用研究展望.     

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.