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.     

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.     

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。     

面向非易失内存的数据一致性研究综述

随着DRAM技术面临密度扩展瓶颈以及高泄漏功耗问题,新型非易失内存(non-volatile memory, NVM)因其非易失、高密度、字节寻址和低静态功耗等特性,已经得到学术界和工业界的广泛关注.新型非易失内存如相变内存(phase change memory, PCM)很可能替代DRAM或与DRAM混合作为系统主内存.然而,由于NVM的非易失特性,存储在NVM的数据在面临系统故障时可能由于部分更新或内存控制器写重排序而产生不一致性的问题.为了保证NVM中数据的一致性,确保对NVM写操作的顺序化和持久化是基本要求.NVM有着内在缺陷如有限的写耐久性以及较高的写延迟,在保证NVM数据一致性的前提下,减少NVM写次数有助于延长NVM的寿命并提高NVM系统的性能.重点讨论了基于NVM构建的持久索引、文件系统以及持久性事务等数据一致性研究,以便为实现低开销的数据一致性提供更好的解决方案或思路.最后给出了基于NVM的数据一致性研究展望.     

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 ...     

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.     

基于PCM的GPU存储系统设计与优化

以相变存储器(PCM)为代表的新型非易失存储器,具有存储密度高和静态功耗低等传统动态随机存取存储器(DRAM)不具备的优势,但是过长的写操作延时会严重影响访存的性能.设计了基于PCM的图形处理器(GPU)中的存储系统.仿真结果显示,GPU程序中的内存写请求分布极不均匀,对少量的内存地址有非常高的访问频率.面向访存分布不均匀特点的专用缓冲单元设计,能够有效地存储频繁访问的内存数据,从而减少对PCM的访问次数,消除过长的写操作延时对系统性能的负面影响.GPU仿真器上的结果显示,基于缓冲单元的PC以存储系统能够有效地提高GPU的运算性能.     

相变存储器测试系统中的脉冲信号的改善

相变存储器测试系统由于PCI控制卡中的总线信号之间的串扰,严重影响了施加在器件单元上的波形;以保证对C-RAM(Chalcogenide-Random Access Memory)进行非晶化操作时脉冲信号下降沿的速度和整个信号的完整性,针对以上问题分别从串口与单片机通信控制继电器和利用PCI控制卡控制继电器两个方面提出了解决方案,并进行了相应的硬件电路和软件设计;结果发现非晶化操作时脉冲信号下降速度加快,并且消除了信号的失真;改善后的测试系统对器件一致性的参数的提取发挥了重要作用,为芯片的电路设计奠定了基础.