基于非易失性内存的新型体系结构的系统优化关键技术

A new generation of non-volatile memories (NVM), including Phase-Change Memory, memristor, show advantages in time performance and power consumption for data accesses. Using NVMs in main memory is a promising way for solving the bottleneck of data I/O in computer systems. Accordingly, computer systems and their optimization techniques designed for the traditional memory hierarchy is facing a sea change. Non-volatile memories share two common characteristics: 1. Asymmetric read/write in terms of time performance and energy consumption; 2. Limited write-erase endurance. In this proposal, we pursue in-depth studies on the fundamental problems of system design and optimizations for both single-core and multi-core systems using NVMs in main memory. We will study write-aware scheduling, data migration, data allocation, wear-leveling problems, and non-volatile in-memory file system design and optimizations on various types of memory organizations including hybrid non-volatile memory, SPM, and cache. We will study the fundamental properties, complexity, optimal algorithms, polynomial-time heuristics, and integrated solutions for systems with non-volatile main memory. The techniques studies in this project will provide both general solutions and theoretical framework for practical application of non-volatile main memory in computer systems.

新一代非易失性存储器，如相变存储器、忆阻器等，在数据读写时间及功耗等方面具有优越的性能。把非易失性存储纳入内存空间将成为解决传统计算机系统数据I/O瓶颈的有效的解决方案。同时，根据传统的计算机存储层次构建的计算机系统及优化技术将因此而发生革命性的变化。 非易失性存储器的共同特性是：1.非对称读写速度和能耗。2.有限的擦写耐受性能。本项目对新型非易失性存储器应用于计算机系统内存的设计与优化的根本性问题做基础研究。从系统优化的角度，对具有非易失性内存的单核与多核系统中的写感知调度、数据分布优化、数据迁移、损耗均衡优化，以及新型非易失性内存文件系统的设计和能效优化等问题进行深入的研究，分析问题的本质及复杂度，研究最优解算法或高效的近似最优解算法，提出综合的解决方案。研究成果将为非易失性内存在计算机系统中的应用提供具有普遍意义的优化算法和解决方案。

近年来，一些新型的非易失性存储器（Non-Volatile Memory, NVM），如相变存储器（PCM）、磁阻式存储器（MRAM）、阻变式存储器（ReRAM）、铁电存储器（FeRAM）等，已经成为缩小处理器与存储器之间鸿沟的最为瞩目的新一代存储器。这类新型非易失性存储器在断电状态下仍然可以长期保存数据，并且数据读写速度已经接近DRAM内存，它们具有高密度、更省电、抗震动、抗辐射干扰等诸多优势。开发基于新型非易失性存储器件的存储构架，是缩小I/O与内存之间的性能差距的一种有效途径。同时，这些非易失性存储器具有一些共同特性：非对称的读写速度和功耗，以及有限的擦写耐受性。计算机系统需要考虑这些新的存储器数据读写特性，才能让这些新型非易失性存储器在实际系统中得到应用并充分发挥它们的优势。.本项目围绕“基于非易失性内存的新型体系结构的系统优化关键技术”的各项研究内容开展了大量深入的研究和系统开发工作。研究团队针对非易失性存储的特性，从系统优化的角度着手，在多种计算机系统结构上研究基于非易失性内存的调度、数据分布、写损耗均衡、非易失性内存文件系统等多个层次的设计和优化问题。本项目在国际上首次提出文件虚拟地址空间的概念，提出了全新的持久化内存文件系统的设计架构，对文件数据组织形式、元数据结构提出了新的定义，并在这个全新的设计架构下首次实现了高效持久化内存文件系统，消除传统文件系统的多级软件层次开销，通过新的设计架构最大化地利用内存管理硬件MMU实现了内存文件数据地址的高速转换，实现了虚拟地址管理机制下的内存文件数据管理。经过华为公司测试，表明为国内产业界在混合型非易失性内存系统提供了具有突破性的关键技术，完成了技术成果转化。此项研究的专利成果获得华为公司的高度评价，相关研究成果发表了一系列高质量的学术论文，其中在IEEE Transaction on Computers期刊发表的论文被评为2016年度论文和当年10月份封面论文，获得国际学术界的认可。.本项目在新型存储结构的探索、系统软件的研究与设计、优化技术的研究等各个层面展开了积极的前沿研究工作，并获得了一批国际领先的研究成果，培养了一批青年老师和优秀研究生。推动了国内计算机学科在非易失性存储体系结构、系统软件及优化技术的前沿研究领域的发展和建设，引领了学术界和工业界在这一新领域的发展方向。