面向大數據的異構內存系統

王孝遠，廖小飛，劉海坤，金海

華中科技大學計算機學院，湖北 武漢 430074

1 引言

隨著大數據應用的蓬勃發展，計算模式已經從傳統的以計算為中心轉變為以大規模數據處理為中心。大數據處理的需求不僅僅表現為要處理的數據規模大，而且要求能快速實時地響應。數據的快速增長和以數據為中心的計算模式給現有的計算機存儲系統帶來了新的挑戰。傳統以外存為主體的存儲模式需要頻繁地在內存和外存之間交換數據，這使得大數據處理的大部分時間都耗費在數據移動過程中，內外存之間過低的I/O帶寬成了大數據處理系統的性能瓶頸。為了提高大數據處理的效率，內存計算模式應運而生。內存計算模式要求計算機系統能夠提供大容量的內存，從而盡可能多地把需要處理的數據緩存在內存中，從而消除磁盤I/O的性能瓶頸。

然而，傳統的動態隨機訪問存儲器（dynamic random access memory，DRAM）因其存儲能耗大、存儲密度小、可擴展性有限、刷新和靜態功耗高等缺點，已經無法滿足應用越來越大的內存需求。近些年涌現的非易失性存儲器（nonvolatile memory，NVM），如相變存儲器（phase change memory，PCM）、磁性隨機存儲器（magnetic random access memory，MRAM）等，具有可隨機訪問、存儲密度大、可擴展性強、無刷新和閑置功耗等特點，成為替代DRAM提供大容量內存的理想存儲器。但NVM具有訪問時延高、寫次數有限、寫功耗大等缺點（見表1），因此直接使用NVM替代DRAM是不可取的。

為了充分利用NVM容量大和DRAM讀寫性能好的優勢，并且最大限度地避免各種存儲介質的缺……