[发明专利]一种提高PCM写性能的优化方法

说明书

本发明公开了一种提高PCM写性能的优化方法，为每一个PCM写单元都添加了一位翻转位flip_bit和几位标志位flag_bit，其中翻转位用来标记相对应的数据是否经过了翻转操作，标志位则表示相对应部分的数据是否全为0。本发明能够最小化实际更新位的数量，从而延长PCM的使用寿命。

技术领域

本发明涉及PCM技术领域，具体涉及一种提高PCM写性能的优化方法。

背景技术

相变存储器PCM作为非易失存储器，近年来成为了存储器系统方面的研究热点，是取代DRAM、FLASH、硬盘等存储产品的最佳候选者。PCM具有良好的可扩展性、能耗低、可按字节寻址、存储密度高等优点。但它仍然存在两个明显的缺点：PCM仅能承受一定数量的写入/擦除周期；PCM的写操作比读操作需要更长的等待时间和更高的能耗。目前已经提出来了几种编码和写减少解决方案，目的是减少PCM中的写操作以延长PCM的寿命。DCW和Flip-N-Write是采用减少写策略的方法，从而延长PCM寿命，这是目前最广泛采用的方法。

DCW是基于部分写机制，主要设计思想是用读操作替代写操作，以此来避免不必要的数据位写入/擦除操作，该方案首先读取存储的旧数据，并且仅在新数据位和旧数据位不同时才会执行更新位的操作，但是该方案也有一些缺点，如果新数据和旧数据中的每一位都不相同，仍然要更新所有的数据位，在这种情况下，由于要更新的最大数据位总数没有变化，DCW并没有减少PCM写操作。

Flip-N-Write采用同样的部分写策略，设置一个翻转位来标记写入的数据是否翻转，首先读取旧数据，然后计算旧数据和新数据中不同位的数量，如果这个数大于总位数的一半则新数据翻转。Flip-N-Write采用了翻转机制来实现对将要写入数据的重新编码，限制要更新的数据位数为字长的一半，因此增加PCM寿命的同时减少对PCM的写操作，但是当要写入数据和存储的数据的不同数据位总数接近字长的一半时，Flip-N-Write的性能并不显著。针对这些方案存在的不足，本方法提出基于翻转和标记的写优化策略，实现对写入数据的更新。

现在越来越多的应用程序使用多线程编程，一个应用程序运行数百个线程以充分利用数据中心中丰富的物理资源，多线程应用的主存访问呈现明显的访问局部性，一小部分的数据类型占据了大量的数据访问，根据在多线程PARSEC负载其中一个基准blackscholes下的实验结果，如图1所示，我们观察到随着线程数量的增加，写入数据模式00000000、00XX00XX和0000XXXX最高在128线程下占80％，最少在1线程下也接近占到了27％的内存访问，其中’0’或’X’表示一个字节也就是8位的值，’0’表示字节值是0，而’X’表示至少有一个非零位。

多线程PARSEC负载下的12个基准，如表1所示。图2是PARSEC负载下的12个基准在128线程下的所有数据模式分布，可以发现数据模式00000000、00XX00XX和0000XXXX在所有基准测试的写入数据中平均占所有内存访问的60％以上，最高占到了大约80％。

表1benchmark

根据实验结果我们发现，这些典型的数据模式00000000、00XX00XX和0000XXXX在多线程工作负载中的写数据中占据了绝大部分的主存数据访问，随着线程数量的增加，数据访问的局部性变得更加明显。因此利用这些常见的典型数据模式来提高写性能和降低能耗非常重要。

上述的这些典型的数据模式00000000、00XX00XX和0000XXXX出现的原因可能来自数据结构对齐或者字对齐，一方面，许多数据只有4位、8位、16位或者32位，为了使数据结构对齐，需要以64位的形式存储以达到提高内存访问效率的目的，因此小数据会被填充一些没有意义的0值；另一方面如果将两个8位数据XX存储为64位，由于字对齐，每个数据都会添加无意义地0值，因此数据中全0的很多。

发明内容