[发明专利]一种基于多层单元的非易失内存的磨损均衡方法有效

专利信息
申请号: 201510490972.8 申请日: 2015-08-12
公开(公告)号: CN105068938B 公开(公告)日: 2018-04-24
发明(设计)人: 冯丹;周文;刘景宁;李峥;鄢磊;黄方亭 申请(专利权)人: 华中科技大学
主分类号: G06F12/02 分类号: G06F12/02
代理公司: 华中科技大学专利中心42201 代理人: 廖盈春
地址: 430074 湖北*** 国省代码: 湖北;42
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摘要:
搜索关键词: 一种 基于 多层 单元 非易失 内存 磨损 均衡 方法
【说明书】:

技术领域

发明属于固态存储领域,更具体地,涉及一种基于多层单元的非易失内存系统的磨损均衡方法。

背景技术

随着多核技术的发展,计算机系统对内存的需求越来越高,包括容量、功耗、性能、可扩展性等多个方面。传统的动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory,DRAM)内存由于受到可扩展性和漏电功耗的约束,面对新的应用环境,其发展受到了限制。

新型非易失存储(Non-Volatile Memory,NVM)技术的出现,为内存系统的发展提供了一种新的解决思路。当前的新型非易失存储器主要有相变存储器(Phase Change Memory,PCM)和忆阻器(Resistive Random Access Memory,RRAM)等,它们具有容量大、功耗低、性能高的优点,是下一代内存最有竞争力的候选者。相比DRAM技术,这些非易失存储器在能耗、性能、可扩展性等方面具有显著的优势,引起学术界和产业界大量的关注,当前基于非易失内存的研究也是一个热点方向。

为了提高NVM芯片的性价比,多层单元技术(Multi-Level Cell,MLC)将会被应用到NVM系统中,这使得一个单元可以存储2个或者4个数据位,因此,MLC-2/MLC-4芯片相对其单层的版本(Single-Level Cell,SLC)具有更大容量和更低的价格优势。但是由于材料限制和过度编程操作,导致MLC-2/MLC-4芯片的耐久性比其单层的版本降低100倍。其较低的耐久性限制所带来的寿命问题,成为了它们扮演内主存角色的主要瓶颈。在SLC技术中,PCM芯片中每个单元的最大写次数是107~108,而RRAM是108~1012。在MLC技术中,PCM芯片中每个单元的耐久性是105~106,而RRAM可以达到107。均匀的写访问可以使得NVM芯片达到几年的使用寿命,但是不均匀的写访问可以使得一些存储单元在几秒钟内被磨穿,从而导致内存失效。因此,利用磨损均衡技术,把不均衡的上层写访问转化为均衡的底层写访问,以延长这些NVM系统的使用寿命,显得格外重要。

针对非易失内存的磨损均衡算法,已有的研究工作可以分为两类——基于表格的磨损均衡算法(TBWL)和基于代数的磨损均衡算法(AWL)。(1)基于表格的磨损均衡算法:该类算法记录了每个逻辑块和物理块的映射关系,同时也统计了每个逻辑块的写次数。通过周期性的交换写次数最高和最低的块来平衡块之间的写差距。典型的基于表格的磨损均衡算法有行交换(Line Swapping)、段交换(Segment Swapping),页交换(Page Swapping)等。它们的区别是最小交换单元的粒度不同,其存储空间开销和交换的时间开销有很大差距。为了达到高的寿命,映射和交换单元的粒度要求足够小,例如行交换,但是这会招致非常高的空间开销。除此之外,大部分的基于表格的磨损算法采用确定的交换策略,这使得恶意的程序可以猜测出待交换区域的新位置,从而对一个特定区域进行强力攻击,导致这个区域的所有行都被磨穿。(2)基于代数的磨损均衡算法:典型的算法有Start-Gap和Security Refresh等。基于代数的磨损均衡算法通过代数映射,周期性的移动物理行,通过大量的行交换从概率上使得“热”的逻辑行可以移动到各个物理行上,其物理地址可以通过给定的逻辑地址和代数函数计算获得。基于代数的磨损均衡算法具有低开销,高安全性的优点,目前已经被应用在基于NVM的原型平台中。

随着MLC技术应用到NVM系统中,内存容量成倍增加导致了基于表格的磨损均衡算法的空间开销也伴随着大量增加,例如在64GB的系统中,空间开销达到2.5GB,无法应用到真实的系统。而耐久性下降导致基于代数磨损均衡算法交换的次数降低,不充足的交换次数导致不平衡的写分布问题,从而直接导致低的使用寿命。为了提升基于代数的磨损均衡算法的效率,典型的方法有提高交换频率和增加区域数量。提高交换频率会导致性能下降,而增加区域数量会恶化区域间不平衡的写通信量,反而降低使用寿命。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种基于多层单元的非易失内存系统的磨损均衡方法,有机结合了基于表格的磨损均衡算法和基于代数的磨损均衡算法的优势并且克服了各自的缺陷,具有高寿命和安全可靠的优点。

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