面向非易失性内存存储的性能和耐久性优化关键技术研究

Non-volatile memory (NVM) techniques, including phase change memory, draw broad attention in industry and research community for their advanced features, such as high read/write speed, byte-addressability, and high density. Hybrid storage system that consists of NVM and other storage devices, such as SSD, has been proposed to balance the trade-off of high performance and low cost. However, existing system software for NVM-based storage system has two major problems. First, they ignore the low write endurance of NVM, which results in low endurance of system and damages the reliability of system. Second, the data allocation of existing system software for NVM-based hybrid storage is frugal, which leads to low system performance. In this proposal, we pursue in-depth studies on the endurance and performance problems of NVM-based storage systems. We will study adaptive wear-leveling-supported NVM space management mechanism, wear-aware data migration optimizations of NVM storage, data allocation optimizations of NVM-based hybrid storage for both single-core and multi-core systems, and conclude a high-endurance and high-performance integrated solution. We will evaluate the effectiveness of the proposed solution by developing Linux-based system prototypes and simulation platform. The techniques studied in this project will provide both general solutions and theoretical framework for practical application of non-volatile memory based storage in computer systems.

新型非易失性内存（NVM），如相变存储器，具有读写速度快、可按字节寻址和存储密度大等优点。基于NVM和闪存等介质的高性价比混合型存储系统正推动着新型存储技术的发展与应用。然而，现今针对NVM存储的系统软件存在两大问题：1.没有考虑NVM写耐受度低的问题，导致系统耐久性低；2.基于NVM的混合存储的系统软件缺乏有效的数据分布技术，导致系统整体性能低。本课题对NVM存储系统中的耐久性和性能问题做基础研究。研究自适应地支持磨损均衡的NVM空间管理机制、磨损感知的NVM存储数据迁移和混合存储的数据分布优化，提出高耐久性、高性能的综合解决方案。将实现基于Linux的系统原型和仿真平台来验证该方案的有效性。本课题的研究成果将为非易失性内存存储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。

随着物联网、边缘计算和5G等技术的高速发展，各类应用场景产生的数据量呈爆炸式增长，急需开展对大容量终端存储系统的研究。新型非易失性存储器具有读写速度快、可按字节寻址和存储密度大等优点，基于NVM和闪存等介质的高性价比混合型存储系统可以适应未来终端存储的需求。然而，现今针对NVM存储的系统软件存在两大问题：1）没有考虑NVM写耐受度低的问题，导致系统耐久性低；2）基于NVM的混合存储的系统软件缺乏有效的数据分布技术，导致系统整体性能低。.为此，本项目从非易失性内存存储空间管理机制、面向非易失性内存文件系统的磨损均衡优化、面向混合内存文件系统的数据分布优化三个方面展开研究：提出了磨损均衡感知的小粒度空间分配回收机制WAFA，使页面的总写入次数大幅度降低；提出轻量级多粒度磨损均衡机制LMWM，实现低开销高精准的索引节点表磨损均衡，提高了持久化内存的平均使用寿命；针对制程差异环境下的索引节点磨损不均衡问题，设计并实现磨损均衡机制 Contour，可实现明显优于现有方法的磨损均衡效果；提出基于文件属性的特征采集方法，设计了预测模型，在终端系统和服务器系统上分别研制了基于机器学习预测的数据分布机制CacheSifter和Archivist；提出低内存开销的嵌入式闪存文件系统设计，实现原型LOFFS，仅用数十MB内存即可管理1TB闪存空间；提出持久化内存辅助回写机制PWM，在保证一致性的前提下大幅提高了数据访问性能。.研究成果共发表论文19 篇，其中项目负责人作为通讯作者或第一作者的论文有16篇，包括CCF A类会议或期刊FAST、DAC、IEEE TC等论文7篇，IPDPS、ICCD、DATE和JSA等CCF B类会议或期刊论文5篇；HotStorage、FGCS（JCR 1区）等论文4篇。在关键技术点上申请5项发明专利，获授权2项。部分成果已应用到航天五院“祝融号”火星车以及 XX-1 卫星控制计算机初样地面验证阶段。.参加领域内高水平国际和国内会议13次；组织学术交流活动1次、作学术报告1次；培养硕士研究生6名（在读），联合培养博士研究生5名、硕士研究生10名，其中1人获重庆市优秀博士学位论文、3人到高校任教。