當(dāng)今各類計(jì)算機(jī)應(yīng)用都進(jìn)入一個(gè)飛速發(fā)展的階段,無(wú)論是"計(jì)算密集型"還是"存儲(chǔ)密集型"應(yīng)用都對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的容量、性能以及功耗不斷提出更高的要求.然而,由于傳統(tǒng)內(nèi)存工藝（DRAM）的發(fā)展落后于計(jì)算邏輯工藝（CMOS）,基于DRAM的內(nèi)存設(shè)計(jì)逐漸無(wú)法滿足這些設(shè)計(jì)需求.同時(shí),基于HDD的外存性能與DRAM主存間的差距也逐漸增加.而各種非易失存儲(chǔ)工藝取得長(zhǎng)足的進(jìn)步,為解決這一問(wèn)題提供了新的機(jī)遇.本文就近年來(lái)針對(duì)非易失內(nèi)存的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的研究工作進(jìn)行綜述,揭示非易失內(nèi)存對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能、功耗等都有明顯的改善. 

【文章來(lái)源】：華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2014,(05)北大核心CSCD

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【部分圖文】：

各種類型的應(yīng)用負(fù)載的IJO特性

華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）２０１４年各種應(yīng)用的Ｉ／Ｏ對(duì)于吞吐和延遲不同的需求決定了需要有不同的存儲(chǔ)設(shè)備為之服務(wù)，非易失存儲(chǔ)的出現(xiàn)不僅能夠顯著降低引入大量?jī)?nèi)存產(chǎn)生的靜態(tài)功耗，同時(shí)豐富了存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)，有望填補(bǔ)ＤＲＡＭ內(nèi)存和硬盤之間不斷擴(kuò)大的鴻溝，如圖２［２］所示．圖２存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)層次Ｆｉｇ．２Ｍｅｍｏｒｙｈｉｅｒａｒｃｈｙ在內(nèi)存計(jì)算的場(chǎng)景下，非易失內(nèi)存有著廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景．（１）ＮＶＭ有著比ＮＡＮＤＦｌａｓｈＳＳＤ更好的延遲和吞吐，其ＩＯ性能比ＳＳＤ好１００倍以上；（２）ＮＶＭ的存儲(chǔ)密度比ＤＲＡＭ更大，因此在同等面積／內(nèi)存插槽的情況下，它能給多核環(huán)境下的ＣＰＵ提供更多的數(shù)據(jù)；（３）在前兩點(diǎn)因素的共同作用下，對(duì)于存儲(chǔ)一定量的數(shù)據(jù)并滿足一定性能需求的條件下，使用ＳＣＭ技術(shù)能降低所需要的機(jī)器數(shù)量．例如：ＳＡＰ公司已經(jīng)把非易失內(nèi)存技術(shù)的應(yīng)用研究作為它們內(nèi)存計(jì)算技術(shù)研究的一個(gè)重點(diǎn)［３］，此外，Ｖｉｒｉｄｅｎｔ公司已經(jīng)著手對(duì)ＭｙＳＱＬＩｎｎｏＤＢ和ＭｅｍＣａｃｈｅｄ用在ＳＣＭ的情況進(jìn)行了優(yōu)化［４］，使這些系統(tǒng)得到更好的利用．１基本知識(shí)如前言所述，維護(hù)已有３０多年歷史的基于ＤＲＡＭ和ＨＤＤ的傳統(tǒng)主存和外存結(jié)構(gòu)，已經(jīng)成為面向新興應(yīng)用計(jì)算系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)．本章節(jié)首先介紹兩類主要的非易失內(nèi)存結(jié)構(gòu)，并通過(guò)對(duì)各種非易失存儲(chǔ)器件的分析，探討適合這兩類非易失內(nèi)存結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器件．如圖３［３５］所示，本文所指的非易失內(nèi)存主要分為兩類：（１）兼容傳統(tǒng)主存控制器（ｍｅｍｏ－ｒｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）的非易失主存（

第５期孫廣宇，等：面向非易失內(nèi)存的結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)與優(yōu)化綜述圖３兩類非易失內(nèi)存的示意圖Ｆｉｇ．３Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｗｏｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅｍｅｍｏｒｙｔｙｐｅｓ通過(guò)兩類非易失內(nèi)存特性的對(duì)比，可以看出兩類非易失內(nèi)存對(duì)所采用的存儲(chǔ)器件工藝提出不同的需求．同時(shí)，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)搜索、內(nèi)存計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘、移動(dòng)計(jì)算等多種應(yīng)用，即使同一類非易失內(nèi)存也會(huì)針對(duì)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行不同側(cè)重點(diǎn)的的設(shè)計(jì)及優(yōu)化．因此，當(dāng)今各種主流的閃存（ＦＬＡＳＨ）、鐵電存儲(chǔ)器（ＦｅＲＡＭ）、磁存儲(chǔ)器（ＭＲＡＭ）、相變存儲(chǔ)器（ＰＲＡＭ）、阻變存儲(chǔ)器（ＲＲＡＭ）等非易失存儲(chǔ)器件都是制造非易失內(nèi)存的潛在競(jìng)爭(zhēng)者［１４］．下文首先對(duì)集中非易失存儲(chǔ)器件進(jìn)行介紹，并分析其可能應(yīng)用的場(chǎng)景．閃存（ＦＬＡＳＨ）通過(guò)選擇是否在浮柵中存放電荷進(jìn)而存儲(chǔ)數(shù)據(jù)．Ｆｌａｓｈ依據(jù)存儲(chǔ)單元分為與非（ＮＡＮＤ）和或非（ＮＯＲ）兩種結(jié)構(gòu)．ＮＯＲ可以提供高達(dá)１００ＭＢ／ｓ的讀寫速度，而ＮＡＮＤ卻可以達(dá)到數(shù)倍于ＮＯＲ的存儲(chǔ)密度，可以達(dá)到較低的生產(chǎn)成本．同時(shí)，３Ｄ堆疊技術(shù)將多層Ｆｌａｓｈ存儲(chǔ)單元堆疊在一起，為提高存儲(chǔ)密度提供了新的途徑［１５］．目前，進(jìn)入２２ｎｍ及以下的多比特與非閃存（ＭＬＣＮＡＮＤＦｌａｓｈ）已被業(yè)界用于生產(chǎn)固態(tài)硬盤（ＳＳＤ），三星、閃迪等公司均發(fā)布１Ｔ的ＭＬＣＦｌａｓｈ．相比于傳統(tǒng)ＨＤＤ，ＮＡＮＤＦｌａｓｈ具備低延時(shí)、高吞吐、低功耗的優(yōu)勢(shì)，但是性能尚無(wú)法與ＤＲＡＭ相比，同時(shí)考慮到其擦寫壽命問(wèn)題，ＮＡＮＤＦｌａｓｈ通常適合于設(shè)計(jì)大容量，高吞吐的ＳＣＭ．鐵電存儲(chǔ)器


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