随着多核系统的普及和发展，中央处理器的数目越来越多，软件应用规模也越来越大，对存储器的存储容量和访问速度要求逐渐加大。另一方面，随着工艺的发展，作为主流的DRAM和SRAM的工艺技术发展到10纳米级别后，其进一步提升空间越来越少。因此，传统存储介质的“能耗墙”和“存储墙”问题日益严重，已经严重制约着存储系统的进一步发展。人们迫切需要新的存储技术替代现有的DRAM和SRAM工艺。新型非易失性存储器具有数据存储的断电信息不丢失、漏电能耗低、访问延迟低和信息密度高等特点，被认为是替代传统的存储技术的最有效方式之一。但是，新型非易失性存储器普遍存在写速度慢、写能耗高和写次数有限等问题。对此，本文对新型非易失性存储介质展开性能优化、功耗优化和使用寿命优化的研究解决上述问题，主要包括新型非易失存储器作为内存（以相变存储器为主）和缓存（以自旋转移力矩随机存取存储器为主）等介质的研究，以达到改善存储系统中新型非易失性存储介质的容量、性能、能耗和耐久性等目的。本文的主要研究内容包括：　　①相变存储器基于凸函数特性的写能耗优化技术。相变存储器使用级联充电泵为相变存储元件输入写电压和电流，每次写回单位中0和1的比率不同时，相变存储器充电泵需要提供的总电流差异非常明显。另一方面，相变存储器充电泵的有效充电效率和需要提供的总电流成凸函数关系。我们利用凸函数的特性，通过平衡每次写回单位的电流，提高总的有效充电效率，使得芯片写能耗降低。　　②多层单元相变存储器的写吞吐量优化技术。多层单元相变存储器每种状态变迁需要的写延迟差异很大，而最坏情况写决定了多层单元相变存储器内存行的写时间。我们提出了重组写机制，其主要思想是在多层单元相变存储器写回过程中，对写单元进行重组，把最坏情况归并到某些写单元中，这样其余的写单元写时间降低。通过这种方式总写单元写时间降低，达到提高相变存储器芯片写吞吐量的目标。　　③多层单元自旋转移力矩随机存取存储器（STT-RAM）的两步写减少优化技术。多层单元的STT-RAM硬铁磁畴和软铁磁畴的两步写问题，不仅增加多层单元STT-RAM的写延迟和写能耗，还导致软铁磁畴的不必要重复写，额外损耗了多层单元STT-RAM的使用寿命。本技术通过使用更多的编码空间，选择最优编码降低了两步写出现的次数，从而减少了STT-RAM的写延迟和写能耗，并且延长了多层单元STT-RAM的使用寿命。　　④非易失性存储介质磨损程度的精确记录技术。非易失性存储器耗均衡算法要基于磨损程度进行损耗均衡。传统的磨损记录方法存在计数不精确的问题，限制了现有的损耗均衡算法对非易失性存储器寿命的提高效果。本文设计了一个低开销高精确度的记录技术，使得计数器的精确度得到极大提高。结合精确的计数器，损耗均衡算法能更精确识别物理介质的实际磨损程度，并作出了更合适的损耗均衡操作，进一步提高非易失性存储器的使用寿命。　　以上的优化技术，本文都在仿真模拟平台进行了实验验证。实验结果证实了本文技术能有效地优化相变存储介质的写能耗，多层单元相变存储器的写吞吐量，多层单元STT-RAM的写性能、能耗和使用寿命，和非易失性存储介质磨损程度的记录技术的精确度及损耗均衡算法的有效性。