基于相变存储器的数据管理关键技术研究

Face of PCM (Phase Change Memory) new memory can replace DRAM to become the development trend of high-capacity non-volatile main memory, the flash memory data management and traditional memory data management techniques are not suitable for PCM, so this project proposed to study PCM main memory level data management key technologies. This project taking the PCM as main memory level device, for the difference between the PCM data management and the data management on flash & memory, by studying the research of new algorithm performance evaluation model on PCM, the PCM storage management, indexing on PCM, transaction consistency restoration on PCM and so on, proposes a series of new methods and algorithms suitable for PCM main memory architecture, and build a PCM main memory level experimental platform for the performance verification test. Not only can this research project to build an experimental platform for PCM main memory level, laying the foundation for the study of innovative data management methods PCM, but also it is expected to exceed the core technology of PCM data management, and promote the further development of PCM storage technologies and applications.

面对相变存储器PCM(Phase Change Memory)新型存储器可以替代DRAM成为大容量非易失主存的发展趋势，而已有的闪存数据管理和传统的内存数据管理技术都不适于PCM的现状，本项目提出研究主存级PCM数据管理关键技术。本项目以主存级PCM为基础，针对PCM数据管理与闪存数据管理和内存数据管理之间存在的差异，结合PCM的介质特性，研究面向PCM的新型算法性能评价模型、存储管理、索引、事务一致性恢复等内容，提出适合主存级PCM架构的一系列新方法和新算法，并构建一个主存级PCM实验平台进行性能验证。本项目的研究不仅可以构建一个主存级PCM实验平台，为研究创新的PCM数据管理方法奠定基础，还有望突破基于PCM的数据管理核心技术，推进PCM存储技术以及应用的进一步发展。

相变存储器（Phase Change Memory, PCM）凭着其非易失、随机访问性能高、可字节寻址、静态能耗低等优点，模糊了主存与二级存储之间的界限，为计算机存储体系设计带来了技术变革，有望突破现有的存储架构，实现高性能的数据存储和管理。然而PCM也存在诸多不足之处，如读写不对称、写延迟是DRAM的6~10倍、及写寿命有限等。基于PCM的数据管理技术研究是一个全新的研究课题。基于上述背景，在研究了有关磨损度度量和算法评价方面的问题后，课题组提出了面向PCM主存以及DRAM/PCM混合主存下的空间管理和分配算法，既避免了磨损均衡算法页面交换带来的写放大问题，也有效地延长了PCM寿命。针对PCM读写不均衡特性，课题组对DRAM/PCM混合主存系统的主存页面管理展开研究，提出了一系列页面置换、数据划分的算法，在保证了算法命中率的同时，还减少对PCM的写操作。在具体应用方面，课题组对基于PCM的索引读写优化展开了研究，主要聚焦于广泛应用于数据库系统的B+-树索引和哈希索引，既减少了索引更新操作的写代价，还可以有效防止查询性能退化。PCM的高存储密度催生了大容量主存的存储架构，也为海量数据的读写性能优化带来了契机，课题组提出了一个面向物联网大数据环境的分布式内存文件系统，有效提升了系统的吞吐率。针对多核、高并发、大容量主存的应用场景，课题组利用PCM非易失特性，提出了高效的无轻量级锁冲突的日志恢复算法。最后，针对PCM以及混合存储系统研究缺乏硬件环境支持的问题，课题组设计了一个主存级PCM的仿真实验平台，实现了比较准确的硬件仿真。