非易失性存儲器結(jié)構(gòu)、原理以及發(fā)展方向

1、非易失性存儲器結(jié)構(gòu)、原理以及發(fā)展方向 相變存儲器王益鵬 171250529 軟件學(xué)院摘要：并行/技術(shù)有效優(yōu)化了/性能，但對訪問延遲卻難以控制相變存儲器 （ ，）作為一種（），具有非易失性、隨機可讀寫、低延遲、高吞吐率、 體積小和低功耗的特點，為? 性能優(yōu)化提供了最直接有效的途徑研究了 的特性與存在的問題， 總結(jié)了目前 的應(yīng)用研究進展，針對高性能計算中的并 行/問題，提出了一種基于相變存儲器 的層次式并行混合存儲模型，能夠有效提高并行文件系統(tǒng)元數(shù)據(jù)服務(wù)效率和并行/吞吐率。正文（前言、主要內(nèi)容、結(jié)論）：隨著大規(guī)模數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)的飛速發(fā)展， 高性能計算（）系統(tǒng)需要高性能大容量的存儲 系統(tǒng)作支撐目

2、前高性能計算機系統(tǒng)的存儲容量已 達到甚至超過 量級，存儲系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大， 為高性能計算機系統(tǒng)的性能可擴展性和可靠性帶來 了雙重挑戰(zhàn) 很多科學(xué)計算負載特征研究表明：在科學(xué)計算 應(yīng)用程序中，小 粒 度 隨 機/ 訪 問 是 造 成/ 瓶 頸 的一個重要原因并行/ 技術(shù)卓有成效 地 優(yōu) 化 了 / 性能，對大塊連續(xù)數(shù)據(jù)能夠提供較高的訪問帶 寬，但對于訪問延遲卻難以控制，尤其對小粒度、隨 機分布的數(shù)據(jù)更是如此 利用新型存儲介質(zhì)擺脫磁盤的機械特性限制， 減少、甚至從根本上免去數(shù)據(jù)尋道時間，能夠為/ 性能優(yōu)化提供最直接有效的途徑早在年美國 的“高端計算復(fù)興之路”（ ）就對未來年推動存儲和? 發(fā)展的 使

3、能技術(shù)進行了預(yù)測，強調(diào)了對于新型存儲機理的 研究的重要性隨著材料學(xué)的發(fā)展，一些新型非易失 存儲（）設(shè)備 相繼問世，如閃存（）、磁性存儲器 、鐵電存儲器 （）和 相 變 存 儲 器（）新 型存儲器摒棄傳統(tǒng)磁介質(zhì)，采用新型存儲介質(zhì)存儲數(shù)據(jù)，擺脫了硬盤的機械特性限制，無需數(shù)據(jù)尋道時間，因而具有巨 大的優(yōu)勢其中相變存儲器因其各方面的優(yōu)良特性 而最受矚目，受到了廣泛的關(guān)注和研究英特爾閃存 部門戰(zhàn)略策劃經(jīng)理表示，英特爾始終 認為，與 和 技術(shù)相比，相變存儲器 即 統(tǒng)一存儲（）是閃存的最佳替代品。相變存儲器顧名思義，就是通過存儲材料相位 狀態(tài)的改變來表示不同的數(shù)據(jù)信息從而存儲數(shù)據(jù)的 介質(zhì)自世紀年代開始人們就

4、已經(jīng)在研究相 變存儲器，年，發(fā)表文章描述了 第個的半導(dǎo)體相變存儲器隨著半導(dǎo)體工藝和相變材料的發(fā)展，相變存儲器件的優(yōu)勢得到了 廣泛的 重 視年月，和 發(fā) 布 合 作和許可協(xié)議，標(biāo)志著當(dāng)今 研發(fā)時代的到來 年月，意法半導(dǎo)體（）與 開始合作年家公司決定合力促進技術(shù)發(fā)展，努力避免在基礎(chǔ)研發(fā)方面重復(fù)投入以期更快地促進技術(shù)的發(fā)展年意法半導(dǎo)體和宣布成立一個新的公司即恒憶公司（），專門致 力于 的研發(fā)，進入了快速發(fā)展期年月，恒憶宣布量產(chǎn)的相變存儲器產(chǎn)品 我國上海微系統(tǒng)研究所也在致力于相變存儲器 的研發(fā)，并于年初部署了國內(nèi)第條相變存儲 器的生產(chǎn)線，預(yù)計年內(nèi)將實現(xiàn)國產(chǎn)相變存儲器 的量產(chǎn) 與此同時進行 應(yīng)用研究的機

5、構(gòu)也越來越 多，除了幾家主要的存儲設(shè)備廠商之外，還有、 實驗室以及加州大學(xué)等本文研究分析了 的技術(shù)特性、潛 在 優(yōu) 勢 與 存 在 的 問 題，總 結(jié) 了 目 前 在幾個方面的應(yīng)用研究進展，針對高性能計算 中的 并 行? 問 題，提 出 了 一 種 基 于 相 變 存 儲 器 的層次 式 并 行 混 合 存 儲 模 型，能 夠 充 分 利 用 的特性，有效提高并行文件系統(tǒng)元數(shù)據(jù)服務(wù)效 率和并行? 吞吐率，為進一步研究開發(fā) 在并 行計算機系統(tǒng)中的應(yīng)用提供指導(dǎo) 的潛在優(yōu)勢與存在問題 的潛在優(yōu)勢概括來說，相變存儲器具有以下幾個特性： ） 隨機訪問響應(yīng)時間短并具有字節(jié)可尋 址特性如同動態(tài)隨機存儲器一樣

6、，相變存儲器的低延時和位可變 性不僅使它在設(shè)計參考中固件（）代碼的直接執(zhí)行上盡顯優(yōu)勢，而 且 已 經(jīng) 被廣泛研究用來作為 的替代品 ）類 似 動 態(tài) 隨 機 存 儲 器，在 寫 入 更 新 代 碼 之 前，相變存儲器不需要擦除以前的代碼或數(shù)據(jù)，讀寫 時間較為均衡，相比閃存優(yōu)勢顯著 ）耐寫能力已經(jīng)達到了次， 遠超過閃存的 次。隨著技術(shù)進步 正在接 近硬盤的讀 寫 壽 命（），一定程度上解決了閃存取代硬盤過程中因耐寫能力嚴重不足帶來的缺陷， 可以保證存儲器更高的可靠性。） 沒有機械轉(zhuǎn)動裝置，而是基于微型存儲單元的相變來存儲數(shù)據(jù)并具有低電壓的特性（）同時由于相變存儲器的非易失性，保存代碼或數(shù)據(jù)也不需

7、要刷新電流，所以無論是相比傳統(tǒng)硬盤還是閃存甚至，都更加節(jié)能，是非常理想的下一代綠色存儲器 ）傳統(tǒng)硬盤基于磁性存儲機理來存儲數(shù)據(jù)，閃 存基于微型電容儲存電荷的機理來存儲數(shù)據(jù)，存儲 密度都有理論上限，這就使得傳統(tǒng)硬盤和閃存存儲 密度不能遵循摩爾定律提升，從而無法滿足技術(shù)飛 速發(fā)展的需 要而 基于微型相變單元存儲 數(shù) 據(jù)的機理使其能夠迅速超越固態(tài)盤的存儲密度，并 且在未來還有更大的提升空間 存在的問題 相變存儲器有諸多的優(yōu)良特性，但就目前發(fā)展 的情況來看仍需要較長的技術(shù)成熟期，還存在以下 幾點問題： ）存儲密度有待進一步提高雖然隨著技術(shù)進 步，相變存儲器的存儲密度在不斷提高，但是目前各 廠商量產(chǎn)的產(chǎn)

8、品最大容量為，這距離一種存儲 介質(zhì)可以被廣泛應(yīng)用和普及還有較大的差距 劉金壘等：新型非易失相變存儲器 應(yīng)用研究 ）單位存儲密度成本較高由于大容量的相變 存儲器產(chǎn)品還沒有量產(chǎn)，所以相變存儲器的應(yīng)用還 不夠廣泛，導(dǎo)致相變存儲器的成本不能快速降低，這 在一定程度上制約了相變存儲器的應(yīng)用和普及 ）耐寫能力 相 比 和 磁 盤 不 足目 前 相 變存儲器的耐寫能力為次，按照平均使用 頻率計算使用壽命大約為年，這相比 和磁盤的次寫壽命有著較大的差距 應(yīng)用研究 目前研究 的 機 構(gòu) 很 多，除 了 幾 家 主 要 的 存儲設(shè)備廠商之外，還有、實驗室以及加州 大學(xué)等，他們研究的方向和成果主要有以下幾個方 面：

9、 ）研究 替代計算機系統(tǒng)的主存與傳統(tǒng) 非易失性 存 儲 器 相 比， 具有字節(jié)可尋址的特 性，其寫延遲約為 的倍，而 的存儲 密度和能耗 相 比 都 具 有 巨 大 的 優(yōu) 勢，這 使 得 可 以 在 部 分 場 合 下 替 代 傳 統(tǒng) 主 存 的 國內(nèi)外對于這個方向的研究相對較多，資 料也比較豐富如 就在研究用 替代基于 的主存系統(tǒng)，使用 和 構(gòu)建新的 主存系統(tǒng)之后，得到了倍的系統(tǒng)加速 密歇根大 學(xué)和在 合 作 研究 使用 替 代 混合主存來節(jié)省服務(wù)器能耗 ）研究 替代硬盤 的隨機讀寫性能 能夠有效地解決大規(guī)?？茖W(xué)計算中小粒度隨機? 對磁盤訪問所造成的? 瓶 頸，所 以 用 取 代 傳統(tǒng)硬盤

10、來存儲數(shù)據(jù)將具有巨大的優(yōu)勢和潛力微 軟基于 作為存儲介質(zhì)構(gòu)建了一個并行的文件 系統(tǒng) 以及支持該文 件 系 統(tǒng) 的 架 構(gòu)，經(jīng) 過 模 擬 驗證，基于 的相比基于磁盤的傳統(tǒng)文件 系統(tǒng)運行速度顯著提高 加利福尼亞大學(xué)圣地亞 哥分校的等人基于新型非易失性存儲 介質(zhì) 實現(xiàn)了一個事務(wù)接口的高性能存儲系統(tǒng) ，比 的 系 統(tǒng) 性 能 高倍，并 且提升了系統(tǒng)的可靠性 ）研究 替 代 閃 存閃 存 和 都 是 新 型非易失性存儲器，沒有機械裝置，可隨機讀寫但 是和 以及 傳 統(tǒng) 存 儲 器 相 比，閃存讀寫性能不 佳，特別是寫入前需要整塊擦除的缺陷，導(dǎo)致閃存只 能通過一系列更加復(fù)雜的技術(shù)（如讀寫均衡技術(shù)）優(yōu) 化

11、才能替代 存 儲 系 統(tǒng) 的 部 分 功 能，所 以 和 相比閃存并不是一個好的存儲介質(zhì)替代品密歇根大 學(xué)研究過一個以閃存作為緩存的硬盤系統(tǒng)，通過使 用 替 代 其 中 的 閃 存 部 件，將 吞 吐 率 提 高 了 ）研究 存儲檢查點（）信息目 前 的單位存儲成本相比硬盤較高，簡 單 使 用 來存儲海量數(shù)據(jù)顯然不夠經(jīng)濟，研究 替 代部分傳統(tǒng) 硬 盤 的 功 能 則 具 有 顯 著 的 優(yōu) 勢 和 可 行 性實驗室和賓夕法尼亞大學(xué)研究使用 來 降低存儲系統(tǒng)的檢查點開銷他們設(shè)計了一個混合 的檢查點機 制，引 入 作為計算結(jié)點的本地 存 儲設(shè)備，存儲檢查點信息，該系統(tǒng)經(jīng)過模擬實驗，將 檢查點開銷從

12、降到了以下，并且如果每 秒作一次 檢 查 點 檢 查， 的使用壽命將延長為 年，這對存儲可靠性來說是非常可觀的提高 ）研究 應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng) 以其高 性能、低能耗以及對環(huán)境更大的耐受力（沒有機械部 件），從而在嵌入式領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用優(yōu)勢德國 宇航中心 研 究 在航天器等領(lǐng)域的嵌入式應(yīng) 用；美光（? ） 相變存儲器已經(jīng) 在市場中有了一些應(yīng)用實例針對高性能計算中 的 典 型? 訪 問 模 式，利 用 新型 存 儲 介 質(zhì) 支 持/ 加 速 和 多 層 次 并 行 計算機研究與發(fā)展 ，（增刊） /，實現(xiàn)基于 、磁盤陣列的層次式存儲，逐 級 提高訪問帶寬、降低訪問延遲，縮小內(nèi)存與外部存儲 設(shè)備之間的

13、性能差距，支持大規(guī)模高速并行/和可靠共享存儲 層次式并行存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)依據(jù)主流外存設(shè)備的 技術(shù) 特 性，將系統(tǒng)分為兩個存儲層次：第 層 為 高 速 低 延 時 存 儲，它 提 供 級 的 存 儲 操 作，容量在數(shù)十至數(shù)百 級，與 相比，延時 增加一 個 數(shù) 量 級采 用 接 口 或 接口的 存儲設(shè)備，不僅具有非易失性、體積小 的特點，而且具有隨機可讀寫、低延遲、高吞吐率和 低功耗的特 點我 們 以 為基礎(chǔ)構(gòu)建層次式并 行存儲系統(tǒng)的高速緩存，在存儲層次中增加了一級 基于 的本 地 存 儲，增強計算處理系統(tǒng)應(yīng)對大 規(guī)?？茖W(xué)計算 的 處 理 能 力每 個 （對 稱 多 處 理 器）計算結(jié)點和元數(shù)據(jù)服務(wù)

14、結(jié)點配 備 ，保 存 操 作系統(tǒng)映像、數(shù)據(jù)、斷點現(xiàn)場等信息，實現(xiàn)? 操作的局 部 化，提 高 計 算、系 統(tǒng) 啟 動、 現(xiàn)場保存與恢復(fù)速度，對充分發(fā)揮系統(tǒng)的計算性能 有較好的支撐作用第層為磁盤存儲，它是整個外 部存儲的主 體，為 了 發(fā) 揮 的性能優(yōu)勢和磁盤 的容量與價格優(yōu)勢，研發(fā)基于該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)遷移技 術(shù)，自 動 檢 測 熱 點 數(shù) 據(jù)，將 熱 點 數(shù) 據(jù) 自 動 遷 移 至 中，將非熱點數(shù)據(jù)自動遷 移 回 底 層 磁 盤，保 證 的高效利用和系統(tǒng)的高性能 海量存儲 系 統(tǒng) 的 元 數(shù) 據(jù)/ 的 特 點 為 數(shù) 據(jù) 粒 度小、頻度高，而文件數(shù) 據(jù)/ 的 數(shù) 據(jù) 粒 度 大、頻 度 相對小針對

15、這種差異，元數(shù)據(jù)/ 通道與文件數(shù)據(jù) / 通道的分離已成為大規(guī)模并行存儲系統(tǒng)的發(fā)展 趨勢這樣的分離模式具有很多優(yōu)勢，根據(jù)元數(shù)據(jù)和 文件數(shù)據(jù)不同的數(shù)據(jù)特征和訪問特性，可以有針對 性地使用不同的本地存儲策略和不同的數(shù)據(jù)訪問算 法進行優(yōu)化，進一步提高文件訪問性能我們采用分 布式對象管理技術(shù)增強系統(tǒng)的可擴展性，將傳統(tǒng)集 中式存儲管理工作轉(zhuǎn)化為分布式管理，多個對象存 儲服務(wù)結(jié)點（）管理控制存儲資源、分布? 負 載、提供并行 文 件 讀 寫 服 務(wù)我 們 利 用 新 型 存 儲 器 的存儲性能特點和優(yōu)勢，將元數(shù)據(jù)分布存儲在 基于 介質(zhì)的元數(shù)據(jù)服務(wù)器 集 群 上，開 發(fā) 基 于 的高效元數(shù)據(jù)管理算法，多個元數(shù)據(jù)服務(wù)結(jié)點 （）協(xié)同工 作，保 證 元 數(shù) 據(jù) 處 理 的 高 吞 吐 率，有 效消除大規(guī)模? 訪問時所面臨的瓶頸問題 結(jié)束語 相變存儲器作為一種新型的非易失性存儲介質(zhì)，相比傳統(tǒng)存儲介質(zhì)在多方面都有著巨大的優(yōu)勢 和潛力，目前多家研究機構(gòu)和廠商都在對相變存儲 器進行大力研發(fā)隨著技術(shù)的發(fā)展，相變存儲器的存 儲密度和耐寫能力將得以快速提升，而隨著產(chǎn)品的