[发明专利]一种单层非易失存储器的动态编解码方法

说明书

本发明公开了一种单层非易失存储器的动态编解码方法，属于数据编解码技术领域。本发明首先对写入的缓存行数据进行压缩；再对压缩节省的空间进行计算，根据节省空间的大小动态选择对单层非易失存储器编码效果最好的编码方式利用压缩节省的空间对数据进行编码，最后再将编码之后的数据写入到单层非易失存储器阵列中。同时本发明还实现了本申请动态编码方式对应的解码方法。本发明方法在极小的空间开销下减少对单层非易失存储器的写，从而降低单层非易失存储器的写能耗、提升寿命，由此解决现有编解码技术中的为降低存储器的写能耗而增加空间开销的问题。

技术领域

本发明属于数据编解码技术领域，更具体地，涉及一种单层非易失存储器的动态编解码方法。

背景技术

新型的非易失存储器(NVM，Non-Volatile Memory)，例如相变存储器(PCM，PhaseChange Memory)忆阻器(RRAM，Resistive RAM)，相比传统的DRAM技术具有数据非易失、高集成度、低读延迟的优势，有望取代传统的DRAM用作下一代计算机系统的内存。PCM使用相变材料例如Ge₂Sb₂Te₂(GST)的晶态和非晶态的变化来存储逻辑值0和1。当GST处于晶态时，PCM单元处于低电阻值的状态，此时PCM存储逻辑值1。当GST处于非晶态时，PCM单元处于高电阻值的状态，此时PCM存储逻辑值0。当给PCM单元施加一个持续时间很短(约40ns)但是幅值很高的电流脉冲时，PCM单元瞬间会被加热到600摄氏度，材料冷却以后PCM单元会处于高电阻(逻辑值0)的状态；当给PCM单元施加一个持续时间较长，而且强度较低的脉冲时，PCM单元会处于低电阻(逻辑值1)的状态。在反复加热的过程中，PCM材料会受到损伤，当写10⁶至10⁹次以后，PCM单元会陷入到0或者1的状态而不能改变。PCM每个单元的写能耗约为20pJ，是DRAM的2倍。RRAM具有跟PCM类似的特性，目前RRAM器件的磨损次数在10¹⁰以下，而且它的写能耗也为DRAM的几倍。

PCM和RRAM都面临着高写能耗，写次数或寿命有限的问题。如何降低新型非易失存储器的写能耗，同时提升他们的寿命使十分关键的问题。

现有的方法提出通过数据编码的方式来减少写NVM的位翻转(即从0写为1，从1写为0)。最早提出的一种方法叫做Flip-N-Write。这种方法的核心思想是给每N位的数据分配一位的标志位。标志位初始值为0。如果写这N位数据和1位的标志位所需要的位翻转超过了(N+1)/2，那么将这N位的数据按位取反，同时将标志位置为1，然后写入。Flip-N-Write可以减少位翻转，同时它引入的标志位也会造成1/N的容量开销。Flip-N-Write对位翻转减少的效果受限于标志位的开销。当N等于16时，标志位造成的容量开销为1/16，同时Flip-N-Write可以减少14.6％的位翻转。当N等于2时，标志位带来的容量开销为50％，但是Flip-N-Write可以减少25％的位翻转。还有一些方法是将缓存行的数据排列称为N行M列的矩阵，然后同时对行和列使用Flip-N-Write。也有针对热数据写的次数更多的规律，将Flip-N-Write应用于减少热数据的写，但是这些方法都会带来大量额外的空间。此外，FlipMin编码方式是基于陪集编码：增加k位的冗余位，同时将数据映射为一个包含2^k个元素的集合，每次写之前，从这2^k个元素的集合中挑选出一种位翻转最少的写入，同样这种编码方式也会带来大量的空间开销。

目前尚没有一种能够针对单层非易失存储器的编码方式，既能降低非易失存储器的写能耗、提升寿命，又不增加过多的空间开销。

发明内容