面向相变存储器的程序级损耗均衡方法研究

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随着大数据、人工智能的兴起,计算机系统处理的数据量正在以超过摩尔速率的比率上升。密集型的数据应用对于计算机存储提出了更高的要求,而当前以DRAM为主存的存储系统在集成度、能耗和性能等方面已无法满足需求,研究人员开始探寻新型存储器件以替代DRAM作为新一代主存。相变存储器(Phase Change Memory,PCM)因其高集成度、低功耗、可字节寻址、非易失性等优点受到了广泛关注。然而,PCM的写耐久度低的问题严重阻碍了它在现实系统中的大规模应用,密集型的写入会导致PCM的使用寿命只有数月。为了缓解这个问题、延长PCM的使用寿命,研究人员从硬件层、操作系统层、程序层提出了多种损耗均衡方法,将内存上的写操作均衡地分布在各个内存单元中。本文主要关注程序级损耗均衡方法,即在程序编译时或运行时对内存分配进行优化,实现写操作的均衡分配。本文首先对当前程序中的内存管理方式及程序虚拟地址空间上的损耗不均衡问题进行了分析,然后针对性的提出了两种程序级损耗均衡方法。(1)损耗均衡感知的堆栈统一内存分配方案。传统的程序堆区和栈区采用不同的内存分配方式,但各自的内存分配方式都导致了严重的损耗不均衡问题,且由于堆区和栈区分开管理,堆区和栈区之间损耗也存在巨大的差异。本文提出使用一个损耗均衡感知的内存分配器统一对程序堆栈进行内存分配,该内存分配器优先分配使用较少的内存块,并对分配次数过多的内存块进行冻结,从而避免内存局部区域过多使用而提前损耗。(2)Loop2Recursion,一种面向栈区的编译时损耗均衡方法。程序中的循环引起了栈帧内部的热点变量,加剧了栈帧分配的不均衡,是导致栈上损耗不均衡的主要原因。因此本文提出Loop2Recursion,在编译时将循环自动转换为递归函数,以减轻栈上的损耗问题。同时本方案提供了对栈内存使用的优化,可以灵活地权衡损耗均衡效果和栈内存使用大小。实验结果表明,文本提出的两种方法均能取得满意的损耗均衡效果。
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