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面向DRAM和NVM异构混合内存架构的排序连接算法优化

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计算机工程与科学 2021年第2期43卷 191-198页

作者：杨柳金培权中国科学技术大学计算机科学与技术学院安徽合肥230027

随着计算机技术的高速发展,数据的应用规模也在不断扩大,各行各业对于数据存取速度的要求也越来越高。为了满足这种需求,内存数据库的思想被提出,然而传统的内存存储器DRAM由于密度和能耗的限制无法大规模集成和扩展。与此同时,非易失内... 详细信息

随着计算机技术的高速发展,数据的应用规模也在不断扩大,各行各业对于数据存取速度的要求也越来越高。为了满足这种需求,内存数据库的思想被提出,然而传统的内存存储器DRAM由于密度和能耗的限制无法大规模集成和扩展。与此同时,非易失内存(NVM)以其性能高、密度高、能耗低的优势弥补了DRAM的不足。DRAM和NVM结合在一起组成的混合内存系统能够发挥出更高的性能和更强的扩展能力,同时也更加经济高效。在这种新的混合内存架构下,传统的算法面临着巨大的挑战,因为它们必须要对新的架构进行优化。故从数据库系统常用的排序连接算法出发,探索其在混合内存系统上的更优使用方式,提出了键值分离的排序连接算法,并在此基础上提出了3种不同的C-Join算法。实验结果表明,提出的方案达到了预期的目标,不仅减少了DRAM的使用,同时也提高了算法的时间性能。

关键词：非易失性内存混合内存架构排序连接算法

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基于热点数据的持久性内存索引查询加速

计算机科学 2022年第8期49卷 26-32页

作者：刘高聪罗永平金培权中国科学技术大学计算机科学与技术学院合肥230027

非易失性内存(Non-Volatile Memory,NVM),也被称为持久性内存(Persistent Memory,PM),具有按位寻址、持久性、存储密度高、低延迟等特点。虽然NVM的延迟远小于闪存,但高于DRAM(Dynamic Random Access Memory)。此外,NVM还有读写不均衡... 详细信息

非易失性内存(Non-Volatile Memory,NVM),也被称为持久性内存(Persistent Memory,PM),具有按位寻址、持久性、存储密度高、低延迟等特点。虽然NVM的延迟远小于闪存,但高于DRAM(Dynamic Random Access Memory)。此外,NVM还有读写不均衡、写次数有限等不足。因此,目前NVM还无法完全代替DRAM。一种更为合理的方法是利用NVM构建基于DRAM+NVM的混合内存架构。文中针对NVM和DRAM构成的混合内存架构,着重研究了基于热点数据的持久性内存索引加速方法。具体而言,以数据访问中的倾斜性特征为基础,利用DRAM的低延迟和NVM的持久性与高存储密度,提出了在持久性内存索引的基础上增加基于DRAM的热点数据缓存,进而提出了可以根据热点数据的变化自动调整缓存的查询自适应索引方法。将所提方法应用到多种持久性内存索引上,包括wBtree,FPTree以及Fast&Fair,并进行了对比实验。结果表明,当热点数据访问达到总访问次数的80%时,所提索引加速方法在3种索引上的查询性能分别取得了52%,33%,37%的提升。

关键词：非易失性内存混合内存架构热点数据自适应索引

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基于写页面热度的混合内存页面管理策略

东北师大学报（自然科学版） 2021年第2期53卷 53-59页

作者：杜娇钱育蓉张猛赵京霞张文冲新疆大学软件学院新疆乌鲁木齐830008

针对阻变存储器(RRAM)写延迟大的问题,提出一种基于写页面热度的混合内存页面管理策略,将写页面进行冷热区分,存于动态随机访问存储器(DRAM)上,减少RRAM上的写数量.在基准程序集PARSEC下对混合内存系统的性能进行测试与分析.结果表明,... 详细信息

针对阻变存储器(RRAM)写延迟大的问题,提出一种基于写页面热度的混合内存页面管理策略,将写页面进行冷热区分,存于动态随机访问存储器(DRAM)上,减少RRAM上的写数量.在基准程序集PARSEC下对混合内存系统的性能进行测试与分析.结果表明,所提出的页面管理策略可以有效地提高系统性能.

关键词：混合内存架构非易失存储阻变存储器页面管理策略

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面向非易失内存的学习型索引研究

面向非易失内存的学习型索引研究

作者：崔路源哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

大数据时代的到来使得基于当前计算机体系结构的内存数据库面临功耗、容量、性能方面的严峻挑战。非易失内存(Non-Volatile Memory,NVM)的出现改变了计算机体系结构,为数据库突破能耗和容量方面的瓶颈提供了新的思路。除了字节可寻址、... 详细信息

大数据时代的到来使得基于当前计算机体系结构的内存数据库面临功耗、容量、性能方面的严峻挑战。非易失内存(Non-Volatile Memory,NVM)的出现改变了计算机体系结构,为数据库突破能耗和容量方面的瓶颈提供了新的思路。除了字节可寻址、快速访存之外,非易失内存还拥有掉电非易失、高存储密度、低静态功耗等DRAM不具备的优点。这些特性使得非易失内存有很大希望成为DRAM的替代者。当非易失内存加入到存储体系中时,高效的索引结构对提升数据库的性能十分重要。学习型索引的出现为数据库解决性能的问题提供了一种新的想法。学习型索引将机器学习引入数据库中,已有多项研究工作表明,学习型索引的性能明显优于传统的B+Tree。本文围绕NVM的特性,结合学习型索引的相关技术,研究面向非易失内存的学习型索引。通过对索引结构、内存架构的设计,以及相关索引操作算法的调整和优化,使得学习型索引能够在NVM以及混合内存架构中充分发挥其强大的性能。主要研究工作如下:(1)提出了一种面向非易失内存的学习型索引LIONLION的核心思想是利用学习型索引代替B+Tree来提高在NVM上的搜索速度并降低空间开销。LION采用异地插入的策略,设计了缓冲区,减少了学习模型的重新训练,并给出了索引的相关操作算法。与以NVM为主存的索引相比,LION拥有更好的读取性能和较好的写入性能。(2)提出了LION在混合内存架构下的优化方法当前技术条件下,NVM的性能与DRAM相比还有一定的差距,不能完全代替DRAM作为唯一的主存使用,针对这一问题,本文提出了面向非易失内存与DRAM结合的LION,利用DRAM来改善索引的读写性能。基于NVM与DRAM混合架构的LION的核心思想是把易于重构的数据结构放入DRAM并利用批量更新的方式减少NVM的写入代价,并且设计了写优化的日志,来保证崩溃一致性。和目前同样采用混合架构的索引相比,LION具备更良好的读写性能。

关键词：非易失内存学习型索引混合内存架构故障恢复读写优化

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面向非易失性内存的新型索引技术研究

面向非易失性内存的新型索引技术研究

作者：张俊晨中国科学技术大学

学位级别：硕士

近年来,随着存储技术的不断发展,基于3D CrossPoint技术的新型非易失性存储器（Non-Volatile Memory,NVM）开始逐步商业化。NVM的出现促进了面向NVM的数据库系统相关研究。作为DRAM与SSD的中间内存层,持久化内存为数据库索引的设计与优... 详细信息

近年来,随着存储技术的不断发展,基于3D CrossPoint技术的新型非易失性存储器（Non-Volatile Memory,NVM）开始逐步商业化。NVM的出现促进了面向NVM的数据库系统相关研究。作为DRAM与SSD的中间内存层,持久化内存为数据库索引的设计与优化带来了新的机遇与挑战。本文围绕NVM的存取特性,研究面向NVM的新型索引技术,并重点研究树形索引在NVM上的访问、持久化、范围查询等操作的性能优化。通过对索引架构、内存结构的设计和优化,以及相应的索引操作算法的调整和优化,使索引能够在NVM以及混合内存架构充分发挥性能。总体而言,本论文的主要工作和贡献可归纳为以下几个方面:（1）研究和提出了一种面向NVM的异构索引HART结合B+树与Radix树的特点,本文提出了一种上下两层结构的异构索引HART。针对B+树查询性能的相对劣势,我们结合Radix树结点搜索快的特性,对整体架构进行了设计,改进了路径压缩策略。针对Radix树范围查询差,数据存储分散的问题,我们设计了对NVM写友好的结点,将Radix树叶子集中存储,并在底层链接起来。（2）提出了 HART在混合内存架构下的优化策略与并发控制方法基于NVM的性能尚处于DRAM与SSD之间的背景,混合内存架构上的索引会比仅NVM的架构上的更加高效。因此为了减少NVM上的写操作,我们提出了异构索引模型边界与持久化边界分离的策略,并进一步讨论了下层持久层的并发访问控制策略。在技术方案设计和实现的基础上,本文在仿真和真实的持久化内存上进行实验。我们对比了 HART的不同衍生变种的性能,并与其他NVM类型的索引,在不同键分布下进行了对比实验。实验结果表明,HART受键分布影响程度高于其他Radix树类的索引,范围查询性能与B+树类索引相近,读写性能在键有局部密集情况下有优势,在完全均匀稀疏的分布下,写性能与纯NVM索引相当,但读性能则大幅优于其他索引。

关键词：非易失性内存混合内存架构数据库索引读写优化