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PCRAM损耗均衡研究综述

计算机学报 2018年第10期41卷 2295-2317页

作者：何炎祥陈木朝李清安何静沈凡凡帅子琦徐超武汉大学计算机学院武汉430072 广东交通职业技术学院信息管理中心广州510650 肯尼索州立大学计算机科学系玛丽埃塔美国30060 南京审计大学工学院南京210029

随着半导体工艺的高速发展,计算机系统中处理器与主存之间性能差距的不断增大,传统存储器件的集成度已接近极限,能耗问题也日益突出,当前传统的主存技术面临挑战.相变随机存储器(PCRAM)具有集成度高、功耗低、非易失、字节级编址等优良... 详细信息

随着半导体工艺的高速发展,计算机系统中处理器与主存之间性能差距的不断增大,传统存储器件的集成度已接近极限,能耗问题也日益突出,当前传统的主存技术面临挑战.相变随机存储器(PCRAM)具有集成度高、功耗低、非易失、字节级编址等优良特性,是最有发展潜力的、最有可能完全取代DRAM主存的非易失性存储器之一.首先介绍了PCRAM的发展与应用现状,指出T型结构是当前学术界和产业界广泛采用的器件结构,目前已经有PCRAM产品逐步开始量产并投入商业应用.然后,介绍了PCRAM当前面临的挑战,指出PCRAM面临的写耐久性局限是限制期发展与应用的主要障碍之一,分布不均匀的写操作会使PCRAM快速失效.接着,从硬件辅助和软件辅助两个角度分别介绍了当前研究人员所提出的一些具有代表性的PCRAM损耗均衡技术,在分析和归纳当前研究现状的基础上,指出了现有方案的优点和亟待完善之处.最后,展望了未来PCRAM损耗均衡技术的研究方向,为该领域今后的发展提供参考.

关键词：相变随机存储器非易失存储器损耗均衡硬件辅助软件辅助

损耗均衡算法在提高SSD寿命上的应用与研究

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损耗均衡算法在提高SSD寿命上的应用与研究

作者：余世丹安徽大学

学位级别：硕士

如今,基于NAND Flash的固态硬盘（SSD）以低延迟、低功耗、高并发等特点使其在商品和商业领域中得到广泛的应用。因2x nm工艺技术的发展,NAND Flash的存储容量正在迅速的增涨,然而其最大可擦除次数却在逐渐减少。由于闪存独特物理特性... 详细信息

如今,基于NAND Flash的固态硬盘（SSD）以低延迟、低功耗、高并发等特点使其在商品和商业领域中得到广泛的应用。因2x nm工艺技术的发展,NAND Flash的存储容量正在迅速的增涨,然而其最大可擦除次数却在逐渐减少。由于闪存独特物理特性的限制,闪存中每个物理块的擦除次数都有一定的上限。一旦某个物理块的擦除次数达到上限该物理块就会成为坏块,当坏块累积到一定的数目时存储在整个闪存中的数据将会变的不可靠。在固态硬盘中因冷热数据分布不均衡使得闪存中所有物理块的擦除次数存在着比较大的差异。为了让固态硬盘拥有更长的生命周期,避免一些物理块被频繁的擦除而迅速成为坏块而另外一些物理块则极少被擦除这样不均衡的操作,因此在固态硬盘的控制器中引入损耗均衡算法将磨损均衡到整个存储空间中是非常有必要的。针对固态硬盘使用寿命的问题,在本论文中进行了如下相关的研究工作:（1）分析了固态硬盘控制器中损耗均衡算法存在的意义,同时介绍了不同损耗均衡算法之间的性能差异。（2）根据闪存的组成结构及其更新和擦除的特点建立相应的数学模型,通过数学分析来确定闪存可擦除次数的边界值。（3）提出了一种基于混合损耗均衡的改进算法。对组内损耗均衡算法的改进是通过在组内建立一个EET表完成对组内冷热数据较为精确的识别从而实现冷热数据的交换来完成组内损耗均衡操作。对组间损耗均衡算法的改进是通过设置冷热数据判断指标HCI及触发阀值TH完成对组间冷热性识别并通过相关的操作完成组间损耗均衡。通过组间和组内的共同配合来达到完善的均衡效果。最后通过FlashSim模拟仿真软件对本文提出的基于混合损耗均衡的改进算法进行性能分析。根据物理块擦除次数的标准差、额外擦除次数、最大擦除次数、擦除次数平均值等几个不同性能指标来验证本文提出的算法对延长固态硬盘使用寿命的优势。

关键词：固态硬盘 NAND Flash 损耗均衡使用寿命冷热数据

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一种有效减小最大擦除次数差的损耗均衡设计

电子学报 2015年第7期43卷 1344-1348页

作者：王伟能罗志坤彭潇陈福胜欧朝龙国网湖南省电力公司电力科学研究院湖南长沙410007

损耗均衡影响智能电能表中闪存固态存储系统的寿命和性能.为了提高系统寿命和性能,本文提出了一种有效减小最大擦除次数差的损耗均衡设计.该设计根据位置指针所指物理块的相对擦除次数差来决定损耗均衡是否需要启动和损耗均衡需要的物... 详细信息

损耗均衡影响智能电能表中闪存固态存储系统的寿命和性能.为了提高系统寿命和性能,本文提出了一种有效减小最大擦除次数差的损耗均衡设计.该设计根据位置指针所指物理块的相对擦除次数差来决定损耗均衡是否需要启动和损耗均衡需要的物理块地址.实验结果表明,该设计相比于已有的损耗均衡方法,能有效减小最大擦除次数差,减小擦除次数方差,有效降低损耗不均衡程度.本文还对影响损耗均衡程度的触发阈值进行了分析与讨论,得出了在选择触发阈值时,需要综合考虑损耗均衡情况和时间开销的结论.

关键词：固态存储系统智能电能表损耗均衡位置指针触发阈值

有源中点钳位型三电平逆变器开关器件损耗均衡调制方法

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电工电能新技术 2021年第4期40卷 1-9页

作者：罗龙李耀华李子欣赵聪张航中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室中国科学院电工研究所北京100190 中国科学院大学北京100049

三电平有源中点钳位型(Three-Level Active Neutral-Point-Clamped,3L-ANPC)逆变器可以克服传统三电平逆变器内外层开关器件损耗不均衡的问题,但是其实现损耗均衡的控制方法,一般要求在线计算开关器件温度进行直接控制,或者实时采集开... 详细信息

三电平有源中点钳位型(Three-Level Active Neutral-Point-Clamped,3L-ANPC)逆变器可以克服传统三电平逆变器内外层开关器件损耗不均衡的问题,但是其实现损耗均衡的控制方法,一般要求在线计算开关器件温度进行直接控制,或者实时采集开关器件温度进行反馈控制,实现过程比较复杂。为在实现损耗均衡的前提下,同时降低控制器的复杂程度,本文提出一种按照工频周期轮换选择零电平开关状态的开关器件损耗均衡调制策略,分析了采用该方法时开关器件的换流过程以及损耗特性。在单相全桥3L-ANPC逆变器上的仿真结果表明,本文提出的方法简单易实现,可以有效减小开关器件的损耗不均衡程度。

关键词：有源中点钳位三电平逆变器损耗均衡调制方法

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面向相变存储器的程序级损耗均衡方法研究

面向相变存储器的程序级损耗均衡方法研究

作者：李伟武汉大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：相变存储器损耗均衡程序堆栈动态内存分配器递归转循环

基于堆排序的片上Nor Flash损耗均衡硬件快速实现

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计算机工程与科学 2017年第11期39卷 1971-1979页

作者：徐书韬黄凯黄凯杰蒋小文张晓濛浙江大学信息与电子工程学院浙江杭州310027 杭州朔天科技有限公司浙江杭州310012

传统的Flash损耗均衡的实现大部分都是针对Nand Flash,且基本都是通过文件系统进行的。针对Nor Flash损耗均衡的研究较少,而且对于无法植入操作系统或者植入代价过大的情况,文件系统的方法将不再适用。在硬件层面实现了Flash损耗均衡算... 详细信息

传统的Flash损耗均衡的实现大部分都是针对Nand Flash,且基本都是通过文件系统进行的。针对Nor Flash损耗均衡的研究较少,而且对于无法植入操作系统或者植入代价过大的情况,文件系统的方法将不再适用。在硬件层面实现了Flash损耗均衡算法,以满足上述应用条件,同时大大减少了芯片软件层面的开销。通过Verilog语言实现了损耗均衡、地址映射、垃圾回收、Flash接口等四个模块,每次写操作到来时通过堆排序寻找擦写次数最小的块,将其物理地址与虚拟地址对应并更新到地址映射表,并在垃圾块达到一定数量时进行回收操作,从而实现Flash的损耗均衡。实验结果表明,硬件实现的损耗均衡算法在初始化、堆删除、读操作的时间消耗上分别比软件算法最多快了14、16.4、17.8倍,获得了较大的速度提升。

关键词： Nor Flash 损耗均衡硬件实现堆排序 Verilog

基于回拷贝的闪存垃圾回收和损耗均衡优化方法研究

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基于回拷贝的闪存垃圾回收和损耗均衡优化方法研究

作者：周娇娜华中科技大学

学位级别：硕士

伴随着移动互联网、物联网和云计算等信息技术的飞速发展,数据量呈爆炸性增长,多样化的大数据应用对存储系统的性能和可靠性提出了更大的挑战。基于闪存的固态盘(Solid State Drive,简称SSD)因具有高性能、高可靠性、低能耗等特性成为... 详细信息

伴随着移动互联网、物联网和云计算等信息技术的飞速发展,数据量呈爆炸性增长,多样化的大数据应用对存储系统的性能和可靠性提出了更大的挑战。基于闪存的固态盘(Solid State Drive,简称SSD)因具有高性能、高可靠性、低能耗等特性成为主流存储设备,被广泛应用于嵌入式设备、个人电脑、企业存储系统和数据中心中。如何降低闪存的磨损写和异地更新等特征对闪存存储设备的性能和寿命的影响,成为了研究的热点。垃圾回收是固态盘内对闪存脏块进行碎片整理的算法,其效能对闪存的性能和寿命有直接的影响。传统基于回拷贝的垃圾回收算法面临回拷贝的可执行性(回拷贝是否能可靠执行)检测开销大的问题,成为垃圾回收性能的瓶颈。针对此问题,提出基于回拷贝的快速垃圾回收算法(Fast Garbage Collection,简称FastGC)。通过建立闪存回拷贝执行次数与数据失效的量化关联关系,提出了一种基于量化关联关系的回拷贝的可执行性检测算法。利用回拷贝执行次数作为可执行性的判断依据,有效减少传统回拷贝可执行性检测中的传输延迟。实验结果显示,与传统基于回拷贝的垃圾回收算法相比,FastGC算法最高可将系统读、写响应时间分别提高66.3%和44.2%。损耗均衡是对闪存块磨损差异进行平衡的算法,其效能对闪存的寿命有直接的影响。为了解决回拷贝引发的分组间磨损不均衡而导致的闪存寿命下降问题,优化FastGC算法,提出基于FastGC的高效损耗均衡算法(FastGC-based Wear Leveling,简称FastGC-WL)。分析垃圾回收过程中的数据迁移特征,设计了一种基于分组内数据冷度和擦除次数的损耗均衡策略,通过均衡每次垃圾回收过程中迁移的数据量,保证分组间的擦除次数以相同的速率增长,减少分组间的磨损差异。实验结果表明,与其他损耗均衡算法相比,FastGC-WL算法可以有效减小闪存磨损差异。

关键词：闪存回拷贝垃圾回收损耗均衡

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面向DAX模式持久内存的损耗均衡技术研究

面向DAX模式持久内存的损耗均衡技术研究

作者：陈劲龙华中科技大学

学位级别：硕士

传统动态随机存储器(Dynamic Random Access Memory,DRAM)面临存储密度难以进一步提升、刷新功耗高等问题。而新兴持久内存(Persistent Memory,PM)的读写性能与DRAM接近,同时还具有低功耗、非易失等特性。这使得PM正在成为DRAM内存的一... 详细信息

传统动态随机存储器(Dynamic Random Access Memory,DRAM)面临存储密度难以进一步提升、刷新功耗高等问题。而新兴持久内存(Persistent Memory,PM)的读写性能与DRAM接近,同时还具有低功耗、非易失等特性。这使得PM正在成为DRAM内存的一种补充。在PM的几种访问模式中,直接访问(Direct Access,DAX)模式支持应用利用PM的非易失性,且避免了将数据拷贝到页高速缓存中的开销,是广为采用的访问模式。然而,现有面向DAX模式的系统软件尚未考虑PM的寿命问题,可能导致PM设备因为部分存储单元的快速磨损而出现故障。同时,现有损耗均衡技术并不能将写操作均布到所有PM中,当直接用于DAX模式下的PM时还有可能引发崩溃一致性问题。为了在保证崩溃一致性的同时将写操作均布到所有PM中,设计并实现了WellPM(Wear-leveling for Persistent Memory in DAX Mode)。WellPM通过软硬件协同的方式实现全局损耗均衡。具体地,硬件完成页内损耗均衡并追踪承受写次数较多的页(即热点页),而软件分配空闲页并迁移热点页。WellPM将内存页分为4类:各进程独享的互斥分配内存、被映射到进程虚拟地址空间的映射内存、各进程共享且大小固定的静态预留内存和各进程共享且大小动态增长的共享分配内存。不同类型的PM页具有不同的特性,需要采用不同的方式进行分配和迁移。在分配静态预留内存和共享分配内存的时候,WellPM会将其映射到连续的虚拟地址空间中,并维护用于保存映射关系的映射表。WellPM通过替换指针变量中的地址迁移互斥分配内存,通过同时更新进程页表和文件索引结构迁移映射内存,通过同时更新进程页表和映射表迁移静态预留内存和共享分配内存。为了验证WellPM,开发了用于追踪各PM页写次数的平台WellPM-bench,并在此平台上评估WellPM的效果和开销。实验结果表明:与目前最好的方法相比,WellPM能将系统寿命提升2-4个数量级。同时也分别评估了WellPM-bench和WellPM所带来的性能损失,它们分别将宏基准测试每秒完成的事务数或操作数降低1.88%～33.33%和0.15%～2.70%。

关键词：持久内存直接访问损耗均衡

固态硬盘控制器启动机制及损耗均衡算法应用研究

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固态硬盘控制器启动机制及损耗均衡算法应用研究

作者：林新惠广东工业大学

学位级别：硕士

随着智能时代的到来,数据爆炸性的增长和不同模式的应用需求对存储设备的性能和容量提出了更高的要求,传统机械硬盘已很难满足各种低时延应用需求。而固态硬盘因具有低功耗、存取快等优点,逐渐成为当前非常重要的存储设备。随着半导体... 详细信息

随着智能时代的到来,数据爆炸性的增长和不同模式的应用需求对存储设备的性能和容量提出了更高的要求,传统机械硬盘已很难满足各种低时延应用需求。而固态硬盘因具有低功耗、存取快等优点,逐渐成为当前非常重要的存储设备。随着半导体存储技术的快速发展,NAND闪存的存储容量得到快速提升,但是块的擦除上限也随之降低,导致固态硬盘的寿命变短。损耗均衡算法可以均衡每个块的使用频次,避免部分块频繁磨损成为坏块,从而达到提升闪存的使用寿命和写入量的目的。针对固态硬盘数据写入过程中搬移源块选择不准确,导致无效搬移的问题,本文改进了基于块权重选择搬移源块的损耗均衡算法（BWWL）。该算法将块的更新频率、有效页数及擦除次数作为搬移源块的选择依据,使搬移源块的选择更加准确,从而降低无效的数据搬移开销。主要工作内容如下:（1）本文首先对固态硬盘相关的知识进行了介绍,分析了闪存转换层涉及的技术,以及固态硬盘性能与寿命的评估方法。（2）研究固态硬盘控制器的启动机制,并结合启动机制涉及的关键技术,进行启动代码设计及测试。闪存转换层算法代码和相关算法表格数据会按照指定规则存放在闪存。固态硬盘上电后,启动代码会先将相关代码和算法表格数据从闪存加载到内存,之后切换到闪存转换层代码中运行。（3）为了改善损耗均衡算法中搬移源块选择不准确的问题,设计了BWWL算法。该算法综合块的更新频率、擦除次数和有效页数三个参数来计算块的权重,并将权重最低的块识别为搬移源块。最后,将搬移源块的有效数据搬移到回收块中,实现块的均衡。（4）在仿真平台上实现BWWL、PWL和PGWL算法,并对比不同算法的性能。通过仿真,BWWL算法与其他WL算法相比,在较少触发损耗均衡的情况下,能获得更大的写入量,延长闪存的寿命。

关键词：启动代码闪存转换层损耗均衡动态阈值 NAND型闪存