基于超低延迟SSD的页交换关键技术

作     者：王紫芮 * 蒋德钧 

作者机构：先进计算机系统研究中心(中国科学院计算技术研究所) 中国科学院大学 处理器芯片全国重点实验室(中国科学院计算技术研究所) 

出 版 物：《计算机研究与发展》 (Journal of Computer Research and Development)

年 卷 期：2024年

核心收录：

学科分类：08[工学] 081201[工学-计算机系统结构] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

基　　金：国家自然科学基金重大研究计划项目(92270202) 中国科学院战略性先导科技专项(XDB44030200) 

主　　题：页交换 I/O栈 超低延迟SSD 轮询 NVMe SSD 

摘      要：随着内存密集型应用的快速发展，应用对单机内存容量的需求日益增大.然而，受到颗粒密度的限制，内存容量的扩展度较低.页交换机制是进行内存扩展的经典技术，该机制通过将较少使用的内存页面暂存在存储设备，以达到扩展内存的目的.过去页交换机制由于慢速磁盘的读写速度限制，无法被广泛应用.近年来，得益于超低延迟固态硬盘（solid state drive, SSD）的快速发展，页交换机制可以利用其低延迟的读写特性，提升页交换效率.然而，在低I/O延迟的情况下，传统页交换机制的I/O栈存在巨大的软件开销.首先对使用超低延迟SSD的Linux页交换机制进行测试与分析，发现现有页交换机制的主要瓶颈在于发送请求时存在队头阻塞问题、I/O合并和调度开销，以及内核返回路径上的中断处理和直接内存回收开销.基于分析结果，提出基于超低延迟SSD的页交换机制***在Linux I/O栈的基础上增加对轮询请求的处理，并降低I/O合并与调度开销，实现轻量级的I/O栈.基于Ultraswap的I/O栈，对内核页交换机制的换入与换出路径进一步优化.通过优化对缺页、直接内存回收的处理，降低页交换机制关键路径上的时间开销.实验结果表明Ultraswap在应用测试场景下相比Linux页交换机制能够提升19%的平均性能；在可使用内存比例为20%的情况下，Ultraswap可达到33%的性能提升.