几种新型非易失存储器的原理及发展趋势

介绍几种有发展潜力的新型非易失存储器的原理,如铁电存储器、磁性随机存储器、相变存储器和阻变存储器等,并在性能方面作了对比,最后对存在的问题和发展趋势进行了分析。     

基于相变存储器的非易失内存数据机密性保护

相变存储器(Phase-Change Memory)是计算机体系结构中的下一代内存技术,具有高密度、低功耗、非易失等优点,具备替代现有DRAM内存的实力,但非易失的自然属性会带来一系列潜在计算机数据隐私方面的隐患.比如掉电后内存中依然保留了很多明文形式的敏感数据,同时相变存储器的存储单元还有写次数有限的问题.文中提出一...     

基于动态权衡的新型非易失存储器件体系结构研究综述

作为现有存储器的潜在替代技术,新型非易失存储器受到了来自学术界和工业界越来越多的关注.目前,制约新型非易失存储器广泛应用的主要问题包括写延迟长、写操作动态功耗高、写寿命有限等.针对这些问题,传统的解决方法是利用计算机体系结构的方法,通过增加层或者调度的方式加以避免或隐藏.但是,这类解决方案往往存在软硬件开销大、无法同时针对不同问题进行优化等问题.近年来,随着对新型非易失存储材料研究的深入,一系列器件自身所包含的动态权衡特性被陆续发现,这也为体系结构研究提供了新的机遇.基于这些器件自身的动态权衡特性,研究人员提出了一系列新的动态非易失存储器优化方案.与传统的优化方案相比,这类新型方案具有额外硬件开销小、可同时针对多个目标进行优化等优点.首先对非易失存储器存在的问题及传统的优化方案进行了概括;然后对非易失存储器件中3个重要的动态权衡关系进行了介绍;在此基础上,对近年来出现的一系列基于非易失存储器动态权衡特性的体系结构优化方案进行梳理;最后,对此类研究的特点进行了总结,并对未来的发展方向进行了展望.     

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.     

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.     

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.     

相变存储器写寿命延长关键技术研究进展

随着大数据分析应用时效性提升和“存储墙”问题日益突出,存储系统已成为当前计算机系统整体性能的瓶颈。以相变存储器（PCM）为代表的新型非易失性存储器（NVM）具有集成度高、功耗低、读写访问速度高、非易失、体积小和抗震等优良特性,已成为最具潜力的下一代存储设备。然而,写寿命有限是PCM实用化的一道障碍,如何通过减少写操作和磨损均衡以提升PCM使用寿命是当前的研究热点。从减少PCM写操作、均匀写操作分布以及在混合内存中的页面迁移等三个方面介绍了当前PCM写寿命延长技术的研究现状以及优缺点,最后探讨未来进一步改进PCM寿命可能的研究方向。     

相变存储器的存储技术教学研究

相变存储器的诞生,是人类存储技术的一个里程碑,它改善了传统DRAM存储方式的缺陷,进一步拓展了计算机内存,使计算机结构发生了创新性的变革。本文从相变存储器的概念入手,对其相变存储技术进行初步的分析研究,总结它的规律和特点,以期为今后的存储技术教学带来一些有益的帮助。     

新型非易失存储环境下事务型数据管理技术研究

为适应底层存储架构的变化,上层数据库系统已经经历了多轮的演化与变革。在大数据环境下,以非易失、大容量、低延迟、按字节寻址等为特征的新型非易失存储器件（NVM）的出现势必对数据库系统带来重大影响,相关的存储与事务处理技术是其中值得关注的重要环节。首先,概述了事务型数据库系统随存储环境发展的历史与趋势;其次,对影响上层数据管理系统设计的非易失性存储技术,以及面向大数据应用领域与硬件环境优化的事务技术进行综述与分析;最后,对非易失存储环境下事务型数据库面临的挑战与研究趋势进行了展望。     

A Survey of Phase Change Memory Systems

As the scaling of applications increases, the demand of main memory capacity increases in order to serve large working set. It is di?cult for DRAM (dynamic random access memory) based memory system to ...     

相变存储器存储单元瞬态电流测量

介绍了相变存储单元瞬态电流的测量方法。根据相变存储器的工作特性,利用微弱电流取样电阻测量法,合理选择测量参数测得了相变存储单元的瞬态电流,电阻与电流关系特性曲线和动态电阻。并根据测量电路等效电路模型分析影响测量的因素,估算出电路中的分布电容。     

基于相变存储器和闪存的数据库事务恢复模型

随着闪存容量不断增大、价格不断下降,闪存在实际存储系统上得到了越来越广泛的应用.但是,闪存的页级读写、异位更新、有限寿命等阻碍了闪存数据库系统的性能提升,尤其是事务恢复.闪存的异位更新使得影子页技术可以很好地支持闪存数据库事务恢复,同时也给闪存数据库带来新挑战,如事务管理、缓冲区管理.相变存储器凭借其比闪存更高的读写速度、更小的读写粒度、更长的寿命成为了下一代主流存储技术,所以相变存储器可以用于解决在闪存数据库中使用影子页技术所产生的事务管理和缓冲区管理问题.该文基于相变存储器和闪存混合式存储提出一种全新的数据库事务恢复模型——SPFP.该模型充分利用相变存储器的特性完成事务管理.为支持非强制缓冲区管理,基于SPFP提出了一种优化的数据库事务恢复模型——SPFLP,利用相变存储器记录更多事务信息.实验结果表明,相较于全闪存存储的数据库系统,SPFLP大大提高了基于混合存储的数据库事务处理性能.     

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.     

基于日志翻译层的冗余闪存阵列研究

为了适应在苛刻嵌入式环境下对闪存存储提出的高可用性和高可靠性要求,人们难免想到借鉴RAID的思想设计类似的闪存的冗余存储方案.但是,闪存的物理特性、接入系统的方式等均与磁盘有着较大差异,这就决定了不能在闪存上直接应用RAID机制.为了能在闪存上使用RAID,提出了日志翻译层(journaling translation layer,JTL).JTL通过建立逻辑擦除块到物理擦除块的动态映射来处理闪存芯片特有的物理限制;它引入日志系统到映射管理中,有效减少了对芯片的磨损,延长了其寿命,并提高了系统的鲁棒性.把类似的RAID机制建立在JTL之上,从而实现了冗余闪存阵列.     

基于DRAM和PCM的混合主存模拟器

相变存储器（PCM）由于其非易失性、高读取速度以及低静态功耗等优点,已成为主存研究领域的热点.然而,目前缺乏可用的PCM设备,这使得基于PCM的算法研究得不到有效验证.因此,本文提出了利用主存模拟器仿真并验证PCM算法的思路.本文首先介绍了现有主存模拟器的特点,并指出其并不能完全满足当前主存研究的实际需求,在此基础上提出并构建了一个基于DRAM和PCM的混合主存模拟器.与现有模拟器的实验比较结果表明,本文设计的混合主存模拟器能够有效地模拟DRAM和PCM混合存储架构,并能够支持不同形式的混合主存系统模拟,具有高可配置性.最后,论文通过一个使用示例说明了混合主存模拟器编程接口的易用性.     

C语言数据的内存存储特性的教学研究

通过C程序实例引入问题,对C程序设计中的内存使用进行了较为深入的研究。探讨比较了数据在内存不同区域存储的特点及存在的问题,分析了不同存储区域的结构分布情况,该研究对程序开发、教学开展等具有较高的参考价值。     

基于PCM的大数据存储与管理研究综述

大数据已经成为当前学术界和工业界的一个研究热点.但由于计算机系统架构的限制,大数据存储与管理在性能、能耗等方面均面临着巨大的挑战.近年来,一种新型存储介质——相变存储器(phase Change Memory, PCM)——凭着其非易失、字节可寻址、读取速度快、低能耗等诸多优点,为计算机存储体系结构和数据管理设计带来了新的技术变革前景,也为大数据存储和管理带来了新的契机.PCM既是一种非易失存储介质,同时又具备了内存的字节可寻址和高速随机访问特性,模糊了主存和外存的界限,有望突破原有的存储体系架构,实现更高性能的存储与数据管理.概述了PCM存储器的发展现状;总结了目前基于PCM的持久存储技术和基于PCM的主存系统等方面的研究进展;并讨论了PCM在多个领域的应用现状.最后,给出了基于PCM的大数据存储与管理研究的若干未来发展方向,从而为构建新型存储架构下的大数据存储与管理技术提供有价值的参考.     

无刷直流电动机换相控制的研究

无刷直流电动机在运行中，由于受到电磁干扰、负载扰动等因素的影响，换相脉冲发生畸变或混有尖峰，由此带来换相抖动或抗负载扰动能力变差。针对这一问题，通过对换相信号的分析找到了换相抖动的原因，并提出了根据换相时间间隔延时屏蔽换相中断来消除换相抖动的方法：中断延时屏蔽换相法：实验证明该方法行之有效，尤其适用于在平均负载较轻、负载抖动较大以及电磁干扰较大情况下无刷直流电动机的换相控制。