基于DRAM和PCM的混合主存架構(gòu)綜述

惠麗峰

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)工程訓(xùn)練中心，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

0 引 言

大數(shù)據(jù)時代的到來對計算機的主存系統(tǒng)提出了更高要求。一種新存儲介質(zhì)——相變存儲器PCM（Phase Change Memory）應(yīng)運而生。PCM擁有非易失性、字節(jié)可尋址、讀取速度快、低能耗等特點，被寄以取代DRAM（Dynamic Random Access Memory）成為新一代的主存介質(zhì)。但是，現(xiàn)階段的PCM由于本身的材料性質(zhì)，存在寫壽命較短、寫延遲較長和寫能耗較大等缺陷[1]，在讀取性能上和DRAM還存在差距。因此，出現(xiàn)了一種基于DRAM和PCM混合主存架構(gòu)機制，即把DRAM和PCM作為同級結(jié)構(gòu)整合到一個主存系統(tǒng)中，利用DRAM和PCM優(yōu)、劣互補來構(gòu)建存儲速度更快、存儲容量更大、能量效率更高的混合主存系統(tǒng)[2]，如圖1所示，以共同承擔(dān)大數(shù)據(jù)時代主存對高效、海量數(shù)據(jù)存儲管理的艱巨任務(wù)。

1 混合主存架構(gòu)機制

DRAM和PCM混合主存架構(gòu)適應(yīng)了大數(shù)據(jù)時代主存系統(tǒng)的需求。表1為DRAM與PCM的參數(shù)對比情況[3]。

圖1 DRAM和PCM同級混合主存系統(tǒng)

表1 DRAM與PCM的對比

從表1的參數(shù)可以看出，PCM的寫能耗大約是DRAM的寫能耗的4倍。因此，在這種混合主存機制中，根據(jù)DRAM和PCM優(yōu)、劣互補的構(gòu)建原則，將原始數(shù)據(jù)存儲在PCM介質(zhì)中，將校驗數(shù)據(jù)存儲在DRAM介質(zhì)中，繼續(xù)維持DRAM的寫緩存功能，用以減少PCM存儲器的寫操作次數(shù)，以有效發(fā)揮DRAM與PCM各自的優(yōu)勢，減少讀寫延遲，降低混合主存存儲系統(tǒng)的能耗，增強系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠性。圖2為DRAM和PCM存儲器混合主存架構(gòu)分工協(xié)作圖。

根據(jù)圖2，在基于DRAM和PCM混合主存架構(gòu)機制中，PCM存儲原始數(shù)據(jù)的地址。為了減少系統(tǒng)對PCM頻繁的寫操作，將部分DRAM存儲器設(shè)置為PCM存儲器的鏡像緩存，采取日志記錄方式對鏡像緩存中的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)索引。由于系統(tǒng)中的日志記錄和冗余數(shù)據(jù)需要頻繁修改，因此將日志記錄、冗余數(shù)據(jù)、寫緩存數(shù)據(jù)均存放于DRAM存儲器中，以減少PCM存儲器的寫操作次數(shù)。DRAM和PCM兩種存儲介質(zhì)共同構(gòu)成了整個計算機的主存系統(tǒng)與外界進行交互。

圖2 DRAM和PCM在混合主存架構(gòu)分工協(xié)作

2 混合主存讀取模式

基于DRAM和PCM的混合主存架構(gòu)機制，為避開PCM存儲器的讀寫不對稱和寫壽命有限的缺陷，對原有DRAM主存的讀取模式進行改進，將寫操作集中在DRAM介質(zhì)中，以減少對PCM存儲器的寫操作。

2.1 讀模式

當(dāng)總線上傳來讀數(shù)據(jù)的請求時，混合主存系統(tǒng)響應(yīng)該請求，從主存中讀出數(shù)據(jù)。過程如下：根據(jù)總線請求在DRAM中查找當(dāng)前日志記錄，若記錄存在，則從日志記錄中讀取數(shù)據(jù)存儲地址，根據(jù)數(shù)據(jù)存儲地址從buffer（最近更新所得的數(shù)據(jù)）中讀出數(shù)據(jù)；若記錄不存在，則查找PCM中的數(shù)據(jù)，找到返回數(shù)據(jù)，未找到則報錯。

2.2 寫模式

當(dāng)總線上傳寫數(shù)據(jù)的請求時，混合主存系統(tǒng)響應(yīng)該請求，將總線上傳來的數(shù)據(jù)寫入主存中。過程如下：查詢DRAM上的日志記錄，判斷buffer中是否存儲了相應(yīng)數(shù)據(jù)，若命中，則根據(jù)命中的日志記錄取出數(shù)據(jù)的地址，刪除原有的日志記錄，更新一條新日志記錄，將總線上傳來的數(shù)據(jù)根據(jù)地址寫入緩存，確保寫緩存存儲的是最近更新的數(shù)據(jù)；若不命中，則創(chuàng)建一條新的記錄，將總線上傳來的數(shù)據(jù)寫入緩存。

這種寫模式頻繁針對總線寫請求操作均由DRAM執(zhí)行，且所有的數(shù)據(jù)都寫入到DRAM的鏡像緩存中。因此，它最大限度地減少了PCM的寫操作，降低了寫延遲、寫能耗，延長了PCM的使用壽命。

3 混合主存的性能

衡量主存性能的兩大指標(biāo)為：帶寬（GB/s）與功耗（W）。

3.1 帶寬

帶寬是指能夠有效通過該信道的信號的最大頻帶寬度。內(nèi)存帶寬的大小直接影響信號在信道上傳輸時的速度。當(dāng)下的計算機系統(tǒng)處理海量數(shù)據(jù)的所有操作都要經(jīng)過主存，因此主存的帶寬是影響整個計算機系統(tǒng)性能的一個重要參數(shù)。

主存帶寬的計算公式如下：

帶寬＝總線寬度×總線頻率×一個時鐘周期內(nèi)交換的數(shù)據(jù)包個數(shù) （1）

根據(jù)計算主存的帶寬公式，當(dāng)同一系統(tǒng)中總線寬度和總線頻率固定時，一個時鐘周期內(nèi)交換的數(shù)據(jù)包個數(shù)就成為確定主存性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。圖3為主存系統(tǒng)帶寬比較。

圖3 主存系統(tǒng)帶寬比較

根據(jù)圖3中的柱狀圖得出，在系統(tǒng)同一配置下，基于DRAM和PCM混合主存系統(tǒng)的帶寬與基于DRAM主存系統(tǒng)的帶寬接近，約是基于PCM主存系統(tǒng)的3倍。說明混合主存系統(tǒng)在執(zhí)行讀請求與寫請求時，DRAM查找當(dāng)前日志記錄與寫緩存涉及到的DRAM與PCM延遲可以忽略不計；在執(zhí)行寫請求時，先寫入DRAM介質(zhì)中的buffer，盡可能提高DRAM高帶寬的利用率。

3.2 功耗

功耗是指單位時間內(nèi)消耗的能源數(shù)量。主存功耗的高低直接影響計算機系統(tǒng)的性能。大數(shù)據(jù)時代海量數(shù)據(jù)加大了主存功耗在整個計算機系統(tǒng)功耗中的占比。

根據(jù)圖4中的柱狀圖得出，在系統(tǒng)同一配置下，基于DRAM和PCM的混合主存系統(tǒng)的主存功耗比基于DRAM主存系統(tǒng)的主存功耗降低了30%～40%。這是因為基于DRAM和PCM的混合主存系統(tǒng)在執(zhí)行讀請求時，首先查找當(dāng)前日志記錄用以讀出原始數(shù)據(jù)地址，利用其原始數(shù)據(jù)的地址從存儲器中讀取數(shù)據(jù)，相比直接從存儲器中查找數(shù)據(jù)，最大限度地降低了主存功耗。當(dāng)基于DRAM和PCM的混合主存系統(tǒng)在執(zhí)行寫請求時，直接寫在DRAM的緩存上，PCM寫操作的能耗是DRAM寫操作能耗的4倍，使寫操作的功耗得到了最大限度降低。因此，基于DRAM和PCM混合主存架構(gòu)機制實現(xiàn)了降低主存系統(tǒng)功耗的目的，提高了計算機系統(tǒng)的性能。

圖4 主存系統(tǒng)功耗比較

4 結(jié) 論

為滿足大數(shù)據(jù)時代存儲系統(tǒng)的需求，相變存儲器PCM以其非易失等優(yōu)點在計算機存儲系統(tǒng)中嶄露頭角，改變了傳統(tǒng)的主存架構(gòu)，為現(xiàn)階段的大數(shù)據(jù)存儲與管理注入了新動能。目前，PCM存在寫操作次數(shù)有限等缺陷，使得PCM不能完全取代DRAM作為獨立的主存介質(zhì)。

采用基于DRAM和PCM混合主存架構(gòu)機制，對兩種存儲器進行揚長避短、分工協(xié)作，提高了主存系統(tǒng)的帶寬，降低主存系統(tǒng)的功耗，延長了PCM的使用壽命，緩解了基于易失性DRAM主存架構(gòu)系統(tǒng)的I/O瓶頸問題，適應(yīng)了大數(shù)據(jù)時代海量數(shù)據(jù)更高性能的存儲。