基于程序訪存模式的存儲(chǔ)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究.pdf

1、半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用對(duì)計(jì)算能力的需求推動(dòng)著計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算的數(shù)據(jù)和指令皆來自于存儲(chǔ)系統(tǒng)，存儲(chǔ)系統(tǒng)在計(jì)算性能中扮演了極其重要的角色。作為對(duì)不斷提升的計(jì)算能力的配合和支持，現(xiàn)有的存儲(chǔ)層次系統(tǒng)，無論是片上緩存還是片外內(nèi)存，其組織結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，其容量也變得越來越大。導(dǎo)致的結(jié)果是存儲(chǔ)層次系統(tǒng)的能耗在整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所占的份額也越來越大。能耗問題會(huì)成為目前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。因此如何降低存儲(chǔ)層次的功耗，尤其是片上

2、緩存和片外內(nèi)存的能耗，成為研究者普遍關(guān)心的一個(gè)重要問題。
　　目前存儲(chǔ)系統(tǒng)低功耗研究主要焦點(diǎn)在緩存和內(nèi)存，因?yàn)閮烧吣芎脑谡麄€(gè)存儲(chǔ)層次系統(tǒng)中最顯著。當(dāng)前的內(nèi)存節(jié)能技術(shù)為充分發(fā)揮器件自帶的硬件節(jié)能支持，包括內(nèi)存分塊和低功耗狀態(tài)兩種技術(shù)，通過軟硬件結(jié)合的技術(shù)節(jié)能。另外，新型非易失性存儲(chǔ)器由于其靜態(tài)能耗低、密度大等特點(diǎn)，被考慮作為低功耗存儲(chǔ)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。例如現(xiàn)有的PCM/DRAM混合內(nèi)存系統(tǒng)就是整合兩種器件優(yōu)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，以及基于STT-RAM

3、的非易失性緩存。上述技術(shù)都關(guān)注于器件能力的挖掘，而忽視了器件對(duì)程序行為的適配，因此不能完美發(fā)揮軟硬件協(xié)同的優(yōu)勢(shì)。
　　本文從程序訪存行為入手，分析了訪存模式的三方面因素:應(yīng)用程序?qū)?nèi)存塊的訪問行為、應(yīng)用程序?qū)彺鎵K的寫行為以及應(yīng)用程序中物理頁(yè)的寫行為。基于這些訪存模式，結(jié)合現(xiàn)有的存儲(chǔ)低功耗技術(shù)，本文提出了基于程序訪存模式的存儲(chǔ)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)，主要從以下三個(gè)方面進(jìn)行了研究:
　　1、本文通過追蹤程序訪問的物理頁(yè)的地址，建立了程序

4、數(shù)據(jù)到內(nèi)存分塊的映射模型;基于該模型，本文抽象出程序執(zhí)行順序?qū)τ趦?nèi)存塊節(jié)能的問題，并且采用網(wǎng)絡(luò)流技術(shù)對(duì)該問題進(jìn)行解答;進(jìn)一步考察了多核上來自不同處理器的程序運(yùn)行對(duì)內(nèi)存塊節(jié)能的影響，對(duì)該問題進(jìn)行抽象建模;對(duì)于雙核系統(tǒng)，本文提出該問題的最優(yōu)算法解;當(dāng)其中的處理器數(shù)目超過兩個(gè)時(shí)，該問題屬于NP難問題，本文提出兩個(gè)相應(yīng)的啟發(fā)式算法。
　　2、本文研究了程序?qū)彺娴膶懺L問，發(fā)現(xiàn)對(duì)緩存塊的寫操作具有集中性;基于該模式，本文提出了選擇性的寫前讀

5、機(jī)制，對(duì)緩存中的臟字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行追蹤和標(biāo)示，利用這些標(biāo)示信息在緩存塊寫回操作時(shí)只對(duì)緩存塊中的臟區(qū)域觸發(fā)寫前讀操作;對(duì)于多級(jí)STT-RAM緩存寫能耗更大的特點(diǎn)，本文研究了數(shù)據(jù)在多級(jí)STT-RAM緩存本地進(jìn)行寫更新以及在SRAM中進(jìn)行寫更新的能耗的差別，提出了伴隨寫緩存結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)的機(jī)制，將能耗高的寫更新操作遷移到伴隨寫緩存中，從而達(dá)到節(jié)能目的。
　　3、本文研究了程序?qū)ξ锢眄?yè)的寫訪問，發(fā)現(xiàn)對(duì)物理頁(yè)的兩種基本寫模式;基于上述寫模式，本文提出

6、了具有可變遷移粒度的自適應(yīng)數(shù)據(jù)遷移策略，可以識(shí)別出當(dāng)前物理頁(yè)的寫模式，并且采用適合當(dāng)前物理頁(yè)的遷移粒度將PCM中的數(shù)據(jù)遷移至DRAM，減小遷移代價(jià)的同時(shí)，發(fā)揮DRAM寫能耗低的特點(diǎn);在上述的混合內(nèi)存管理機(jī)制下，本文還提出了一種局部刷新的策略，其基本思想是利用遷移模塊中的相關(guān)信息，對(duì)DRAM中的每個(gè)數(shù)據(jù)刷新單元中的數(shù)據(jù)有效性作標(biāo)示，從而只對(duì)其中的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新操作，降低數(shù)據(jù)刷新能耗。
　　最后，本文基于實(shí)際的硬件平臺(tái)PandaBo

7、ard和全系統(tǒng)模擬器gem5以及其他的工具如SESC和CACTI，采用實(shí)際測(cè)量和軟件模擬相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)上述提出的創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文中提出的機(jī)制和結(jié)構(gòu)可以比現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)一步降低緩存和內(nèi)存的寫能耗和靜態(tài)能耗。
　　本文通過對(duì)程序訪存模式，具體包括應(yīng)用程序?qū)?nèi)存塊的訪問行為、應(yīng)用程序?qū)彺鎵K的寫行為以及應(yīng)用程序中物理頁(yè)的寫行為的研究，結(jié)合現(xiàn)有存儲(chǔ)器件的節(jié)能硬件支持，實(shí)現(xiàn)了訪存模式指導(dǎo)下對(duì)現(xiàn)有存儲(chǔ)器件節(jié)