相变存储器的能耗优化算法研究

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相变存储器(Phase Change Memory,PCM)是一种新型的非易失随机访问存储器,同时也是最有潜力的下一代通用存储器。它具有高存取速度、非易失性、高容量、工艺简单和可变位等优点。然而,较高的写能耗是PCM在实际应用中面临的主要问题之一。不同于闪速存储器,PCM的可变位特点使得对PCM的写操作不需要单独的擦除步骤,也就是说,当要写的输入数据中的位与PCM上对应的目标位一致时,PCM上的位不需要变换,即减少一次不必要的写操作。因此,解决写能耗问题的一个最有效的方法就是减少对PCM的写操作数。针对用作辅助存储器的PCM,本文提出了一种基于分块的写机制来增加写操作的灵活性。在该写机制中,输入数据块和PCM上的目标数据块被划分成多个同等大小的小数据块,使得各个小输入数据块可以灵活地被写入任意一块小目标数据块。针对辅助存储器写机制,本文提出一种基本的块写算法来减少PCM上的写操作数。在该基本写算法中,如果输入数据块与目标数据块之间的一致性小于50%,则输入数据块在被写入之前需先置反。另外,在基于分块的写机制的基础上,本文提出了两种不同的写算法一基于贪心算法的次优写算法和基于二分图最佳匹配的最优写算法。其中,基于贪心算法的次优写算法采用贪心算法来分配各个小输入数据块,即每一块要写的小输入数据块都从可用的小目标数据块中选取最佳的一块来写。而基于二分图最佳匹配的最优写算法则先使用二分图最佳匹配算法(kuhn-munkras)找到小输入数据块和小目标数据块之间的最佳匹配,然后根据该最佳匹配来分配各个小输入数据块。其中,两种写算法都采用了基本的块写算法来将小输入数据块写入对应的小目标数据块中。实验结果显示,与已有的DCW算法相比,本文提出的基于贪心算法的次优写算法平均能耗减少11.29%(最高达18.63%),而基于二分图最佳匹配的最优算法平均能耗减少12.80%(最高达20.86%);与已有的Flip-N-Write算法相比,基于贪心算法的次优写算法平均能耗减少13.30%(最高达20.71%),而基于二分图最佳匹配的最优算法平均能耗减少14.81%(最高达22.93%)。
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