流处理器相变存储器主存性能优化

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1、摘要摘要单芯片多处理器的发展和应用不断增加的性能和精度要求，需要计算机的主存系统增加容量以保存更大的工作集。DRAM是过去的几十年里计算机主存系统采用的主流技术。但DRAM的工作原理决定了其可扩放性较差，且随着主存容量的扩展，DRAM的漏电流功耗在主存系统能耗中所占的比例逐渐和动态功耗持平。随着CMOS工艺不断向16nm的极限尺寸发展，处理器片上存储层次也需要新的存储技术代替存储密度较低而能耗较高的SRAM。以PCRAM和STT-RAM为代表的新型存储技术成为存储器系统方面的研究热点。PCRAM是非易失性的存储器，具有很低的漏电流功耗，PCRAM具有接近完美的可扩放性和数倍于D

2、RAM的存储密度。虽然PCRAM在存储密度和漏电流功耗控制方面具备了代替DRAM的能力，但是要用PCRAM完全代替DRAM目前还需要在降低读写延时，扩展生命周期，控制动态功耗等关键技术方面进行改进。本文主要从三个方面进行研究：利用避免冗余位写技术延长PCRAM的生命周期，利用避免行缓存写回技术降低读写延时和动态功耗，并评估了访存调度算法对PCRAM性能的影响。主要研究内容和成果包括：（1）研究了PCRAM的工作原理，为PCRAM建立了抽象的性能模型，并将该模型用于模拟流处理器的主存系统。（2）研究了PCRAM的非易失性，并提出了利用该特性对PCRAM性能进行优化的新技术。采用避

3、免冗余位写技术优化了PCRAM的可写次数，从而延长了PCRAM主存系统的生命周期；利用避免行缓存写回技术减少了无效写操作的次数，有效的弥补了避免冗余位写技术带来的性能损失，提高了PCRAM主存的性能同时降低了动态功耗。实验评测了以上两种技术的优化效果：避免冗余位写技术平均使PCRAM生命周期延长3.2倍，优化后的写操作能耗是原系统写操作能耗的42%。（3）通过对PCRAM存储技术特点和流处理器访存特征的分析，评测了不同访存调度策略对PCRAM主存性能的影响。对测试程序实验结果的分析显示，选择适合PCRAM技术特点的访存调度算法对程序性能有显著影响。关键词：相变存储器流处理器避免

4、冗余位写非易失性访存调度算法IABSTRACTABSTRACTThedevelopmentofsingle-ChipMultiprocessorandnewapplication’sneedformoreaccuracyandbetterperforamancerequiremainmemoriesofcomputersystemsincreaseitscapacitytostoremoreworksets.DRAMhasbeentheprimarytechnologytobuildmainmemoriesofcomputersystems.Howeverwithfeature

5、sizescalingdownDRAMisinjeopardyaschargestorgeandsensingmechanismsbecomelessreliable.ThecapacityincreamentofDRAMmainmemoryresultinasignificantportionofthetotalsystempowerandthetotalsystemcostisspentinthememorysystem.AsintegratedcircuittechnologytoandbeyondtheendofCMOSdimensionalscaling,CPUnee

6、dsnewmemorytechnologytoreplaceSRAM.Therefore,technologyresearchershavebeenstudyingnewmemorytechnologiesthatcanprovidemorememorycapacitythanDRAMwhilestillbeingcompetitiveintermsofperformance,cost,andpower.PCRAMandSTT-RAMarethosenewmemorytechnologies.PCRAMhasadvantagesinscalabilityanddencityco

7、mparedwithDRAM.However,PCRAMhavelongerreadandwritelatencythanDRAM,PCRAM’sreadandwriteoperationsneedconsumemoreenergycomparedwithDRAM,asanon-valitilememory,PCRAMhaslimitwriteendurancealso.ThosedrawbacksofPCRAMwillbelessimportantwithfeaturesizescalin