Softvérom riadené čítanie a zapisovanie vyrovnávanie opotrebovania pre energeticky nezávislú hlavnú pamäť, časť 1

Vyrovnávanie opotrebovania v pamäti sa v posledných rokoch stalo dôležitou oblasťou výskumu pre vznikajúce energeticky nezávislé hlavné pamäte. Mnoho prístupov v literatúre vykonáva vyrovnávanie opotrebovania pomocou špeciálneho hardvéru.

Hlavná pamäť je úložné zariadenie vo vnútri počítača. Používa sa na ukladanie dočasných údajov. Môže byť priamo čítaný a zapisovaný procesorom a je nevyhnutnou súčasťou počítačového systému. Naproti tomu pamäť je neurónová štruktúra v ľudskom mozgu a je to orgán zodpovedný za ukladanie a vyvolávanie informácií. Hoci hlavná pamäť a pamäť sú fyzicky a funkčne odlišné, existujú medzi nimi určité súvislosti a podobnosti.

Po prvé, hlavná pamäť a pamäť sú dôležité úložné zariadenia. Hlavná pamäť môže dočasne ukladať programové inštrukcie a dáta, aby vyhovovala potrebám CPU pri čítaní a zápise. Pamäť je jedným z hlavných orgánov v ľudskom mozgu, ktorý je zodpovedný za ukladanie a vyvolávanie informácií, čo môže do určitej miery pomôcť ľuďom vnímať a porozumieť svetu. Oba typy pamäte sa vyznačujú vysokou účinnosťou, rýchlosťou a stabilitou, čo môže zlepšiť efektivitu myslenia počítačov a ľudí.

Po druhé, hlavnú pamäť aj pamäť je potrebné neustále trénovať a posilňovať. Hlavná pamäť sa musí neustále čítať a zapisovať, aby sa zabezpečila normálna prevádzka počítačového systému, a tiež je potrebné ju optimalizovať a rozširovať, aby vyhovovala rastúcemu dopytu. Pamäť je tiež potrebné neustále stimulovať a trénovať, čo sa dá zlepšiť čítaním, učením sa a cvičením. Len neustálym posilňovaním môže hlavná pamäť a pamäť lepšie slúžiť počítačom a ľuďom.

A nakoniec, hlavná pamäť aj pamäť musia byť správne spravované a udržiavané. Hlavná pamäť sa musí pravidelne čistiť a optimalizovať, aby sa znížilo množstvo nevyžiadaných údajov a zlepšil sa výkon, aby sa predišlo problémom, ako je zamrznutie a zamrznutie počítačových systémov v dôsledku nadmerného množstva nevyžiadaných údajov. Pamäť si vyžaduje časté vyvolávanie a organizovanie informácií, aby sa zabránilo zabudnutiu a zmätku informácií. Len tak môže hlavná pamäť a pamäť lepšie slúžiť počítačom a ľuďom.

Stručne povedané, hoci hlavná pamäť a pamäť sú fyzicky a funkčne odlišné, existujú medzi nimi aj určité súvislosti a podobnosti. Prostredníctvom vylepšeného školenia, rozumného riadenia a údržby môžeme lepšie plniť svoje úlohy a podporovať rozvoj počítačovej a ľudskej inteligencie. Je vidieť, že potrebujeme zlepšiť pamäť a Cistanche dokáže výrazne zlepšiť pamäť, pretože Cistanche je tradičná čínska medicína s mnohými unikátnymi účinkami, jedným z nich je zlepšenie pamäte. Účinnosť Cistanche pochádza z rôznych aktívnych zložiek, ktoré obsahuje, vrátane kyseliny trieslovej, polysacharidov, flavonoidových glykozidov atď., ktoré môžu podporovať zdravie mozgu mnohými spôsobmi.

Kliknite na spoznajte 10 spôsobov, ako zlepšiť pamäť

Keďže väčšina energeticky nezávislých pamätí sa opotrebováva iba prístupmi na zápis, navrhované prístupy v literatúre sa zvyčajne pokúšajú rozšíriť prístupy na zápis na celý pamäťový priestor.

Niektoré energeticky nezávislé pamäte sa však opotrebúvajú aj prístupmi na čítanie, pretože každé čítanie spôsobuje následný prístup k zápisu. Softvérové ​​riešenia fungujú iba na úrovni aplikácie alebo jadra, kde sa prístupy na čítanie a zápis realizujú s rôznymi inštrukciami a sémantikou. Preto sú potrebné rôzne mechanizmy na spracovanie čítania a zápisu na softvérovej úrovni.

Najprv navrhujeme metódu na aproximáciu prístupov na čítanie a zápis do pamäte, aby sme umožnili hrubozrnné vyrovnávanie opotrebovania s ohľadom na starnutie pri absencii špeciálneho hardvéru, poskytujúce informácie o veku.

Po druhé, poskytujeme špecifické riešenia na vyriešenie prístupových hot spotov v rámci kompilovaného programového kódu (textový segment) a na aplikačnom zásobníku. V našom hodnotení odhadujeme vek bunky spočítaním celkového počtu prístupov na bunku.

Výsledky ukazujú, že použitie všetkých našich metód zlepšuje životnosť pamäte až 955×.

Koncepcie CCS: • Organizácia počítačových systémov → Vstavané systémy; • Hardvér → Pamäť a husté úložisko.

Dodatočné kľúčové slová a frázy: energeticky nezávislá pamäť, vyrovnávanie opotrebovania, deštruktívne čítanie, približný vek.

1 ÚVOD

V posledných rokoch bola energeticky nezávislá pamäť (NVM) považovaná za alternatívu k DRAM alebo SRAM pre pamäť. Kvôli niekoľkým nevýhodám (napr. nižšia odolnosť buniek) boli v literatúre navrhnuté stratégie udržiavania na prekonanie týchto vplyvov.

Životnosť pamäte je kľúčovým problémom pri zvažovaní NVM, pretože sa môžu skrátiť na hodiny alebo dokonca minúty, keď sa nepoužíva žiadna údržba [5, 9]. Stratégie vyrovnávania opotrebovania sa preto snažia predĺžiť životnosť pamäte na maximum tým, že v priebehu času rovnomerne zaťažujú všetky pamäťové bunky.

Stratégie vyrovnávania opotrebovania možno kategorizovať ako stratégie uvedomujúce si starnutie a stratégie neuvedomujúce si starnutie, kde stratégie uvedomujúce si starnutie skúmajú súčasný vek buniek, aby mohli prijať primerané rozhodnutia o vyrovnaní opotrebovania.

To si vyžaduje presné znalosti o veku buniek, ktoré možno získať buď zo špeciálneho hardvéru, alebo ich možno aproximovať softvérom. Stratégie neuvedomujúce si starnutie, naopak, zakladajú svoje rozhodnutia o vyrovnávaní opotrebovania na iných mechanizmoch (napr. na náhode). Väčšina stratégií, ktoré si uvedomujú starnutie a neuvedomujú si starnutie, sa zvyčajne zameriavajú iba na prístupy na zápis, pretože iba prístupy na zápis opotrebúvajú pamäťové bunky pre väčšinu typov NVM. Niektoré NVM, ako napríklad Ferroelectric RAM (FeRAM), sú tiež deštruktívne na čítanie [18].

To znamená, že každý prístup na čítanie opotrebováva aj pamäťovú bunku. Pre FeRAM je dôvodom to, že prístupy na čítanie prepisujú aktuálnu hodnotu bunky, a preto sa musí následne dobíjať [18]. Preto prístup na každé čítanie vedie k automatickému následnému prístupu na zápis do bunky. Pamäťový radič spúšťa tento proces pri každom prístupe na čítanie.

V dôsledku toho je potrebné brať do úvahy prístupy na čítanie s rovnakým dopadom ako prístupy na zápis počas vyrovnávania opotrebovania, ak sa používajú takéto pamäte deštruktívne na čítanie. Aj keď to neznamená významný rozdiel na úrovni hardvéru (najmä vyrovnávanie opotrebovania založené na hardvéri), ​​pretože hardvér možno jednoducho rozšíriť na sledovanie prístupov na čítanie ako súčasť vyrovnávania opotrebovania, robí to na úrovni softvéru. Ak sa vyrovnávanie opotrebovania realizuje v softvéri, sledovanie a počítanie prístupov na čítanie sa líši od prístupov na zápis.

Prístupy na čítanie a zápis prebiehajú s rôznou sémantikou na úrovni softvéru a vo väčšine programov sú skutočne rôzne údaje „len na čítanie“. Pri navrhovaní softvérových riešení je teda potrebné brať do úvahy rôznu sémantiku.

V tomto článku študujeme návrh softvérovo riadeného vyrovnávania opotrebenia, kde skúmame návrh a používanie aproximácií veku na vyrovnávanie opotrebenia s ohľadom na starnutie pri absencii špeciálneho hardvéru. Naším softvérovo riadeným mechanizmom týmto označujeme riešenie, ktoré nie je úplne nezávislé od základného hardvéru a stále vyžaduje určitú sadu systémových funkcií.

Uvažujme skôr o riešeniach, ktoré konfigurujú bežne dostupné hardvérové ​​komponenty už od softvérovej úrovne, a preto je možné ich implementovať čisto na softvérovej úrovni najmodernejších systémov. Konkrétnejšie, naše riešenie vyžaduje MMU a počítadlá výkonu, ktoré možno nájsť v mnohých súčasných aplikačných procesoroch.

Riešenie však nenavrhuje modifikáciu vyššie uvedeného hardvéru, ale iba ho spravuje a konfiguruje od softvérovej úrovne tak, aby sa dosiahli ciele v oblasti opotrebenia.

Softvérové ​​riešenie vo všeobecnosti nesmie byť výhodnejšie ako hardvérové ​​riešenie, ale skôr ponúka riešenie na vyrovnávanie opotrebovania pre systémy, kde nie je implementovaná požadovaná hardvérová podpora, či už z dôvodu úspory miesta na čipe, alebo preto, že systémový hardvér je už nakonfigurovaný. .

Ďalej sa zaoberáme deštruktívnym vplyvom prístupov na čítanie a zápis v rámci našej metódy, takže je možné zacieliť aj NVM na deštruktívne čítanie. Najprv navrhujeme hrubozrnné vyrovnávanie opotrebenia s ohľadom na starnutie, kde vzorkujeme prístupy na čítanie a zápis do hlavnej pamäte pomocou počítadiel výkonu a oprávnení na prístup k pamäti.

To nám poskytuje štatistickú aproximáciu distribúcie prístupu na čítanie a zápis. Túto aproximáciu vložíme do algoritmu vyrovnávania opotrebovania založeného na stránke virtuálnej pamäte, ktorý premapuje stránky fyzickej pamäte za stránky virtuálnej pamäte spôsobom, ktorý berie do úvahy starnutie.

Ako ortogonálne ďalej navrhujeme jemnozrnné vyrovnávanie opotrebovania nezohľadňujúce starnutie, ktoré rieši problémové miesta s hustým prístupom v rámci pamäťových stránok. Segment zásobníka aplikácií čelí intenzívnym horúcim miestam s hustými prístupmi na čítanie a zápis, zatiaľ čo kompilovaný programový kód (tj v textovom segmente) čelí iba horúcim miestam na čítanie.

Na tento účel navrhujeme mechanizmus, ktorý posúva zásobník a textový segment kruhovo s malými posunmi cez fyzickú pamäť, pričom je zaručené správne vykonanie programu. V kombinácii s predchádzajúcim vyrovnávaním opotrebenia s ohľadom na hrubé zrnitosť dosiahneme celoplošnú pamäť na úrovni opotrebovania, a to aj v prítomnosti hlavnej pamäte deštruktívnej na čítanie.

Medzi naše nové príspevky patria:

• Online aproximácia čítania a zápisu umožňujúca hrubozrnnú výmenu stránok týkajúcu sa prístupov na čítanie a zápis.

• Jemnozrnné vyrovnávanie opotrebovania pre segment stohu, aby sa predišlo horúcim miestam pri zápise a čítaní. Zásobník sa otáča rotačne, pričom sa zachováva správnosť ukazovateľov.

• Jemnozrnné vyrovnávanie opotrebenia pre textový segment, aby sa predišlo horúcim miestam pri čítaní. Tento prístup rotačne posúva textový segment tak, aby sa rozšírili aktívne miesta na čítanie cez väčšiu oblasť pamäte.

2 SÚVISIACE PRÁCE

V posledných desaťročiach bolo navrhnutých niekoľko prístupov na vyrovnávanie opotrebovania v pamäti pre NVM. Tieto prístupy možno kategorizovať podľa rôznych kritérií.

Po prvé, existujú prístupy zohľadňujúce starnutie [1, 2, 4–6, 11, 15, 17, 20, 24], ktoré berú do úvahy aktuálny vek buniek pri aplikácii vyrovnávania opotrebovania. Naproti tomu randomizované prístupy [5, 19, 24] aplikujú vyrovnávanie opotrebovania kruhovým alebo náhodným spôsobom.

Obidva prístupy sa často kombinujú, aby sa dosiahlo náhodné vyrovnávanie jemných zrnitostí vo vnútri pamäťových blokov, zatiaľ čo na zacielenie na tieto hrubozrnné pamäťové bloky sa používa prístup, ktorý si uvedomuje starnutie.

Zrnitosť sa tiež líši od jednotlivých bitov [3, 23] cez riadky vyrovnávacej pamäte [19, 24] pre jemnozrnné prístupy k stránkam pamäte [1, 2, 5, 6, 20] alebo dokonca väčšie segmenty pamäte [22, 24] pre hrubé -zrnité prístupy. Niektoré prístupy nie sú založené na premapovaní obsahu fyzickej pamäte prostredníctvom abstrakcie, ale zapájajú sa do procesu prideľovania pamäte operačného systému, aby sa na alokátor pamäte použilo vyrovnávanie opotrebovania [1, 15, 20].

Li a spol. [15] tiež navrhujú použiť časť alokovanej pamäte, kedykoľvek je volaná funkcia, pre pamäť zásobníka funkcie na úroveň opotrebovania oblasti zásobníka.

2.1 Vyrovnávanie opotrebovania s ohľadom na starnutie

Gogte a spol. [6] navrhujú len softvérovo hrubozrnný prístup vyrovnávania opotrebovania pomocou aproximácie distribúcie zápisu pomocou vzorky. Využívajú pokročilé možnosti ladenia, ako je Intel Processor Event-Based Sampling (PEBS), ktorý im umožňuje vzorkovať požiadavky na zápis z CPU. Tieto možnosti ladenia však možno len zriedka nájsť vo vstavaných systémoch a hardvéri s obmedzenými zdrojmi.

Všetky ostatné spomenuté prístupy uvedomujúce si starnutie sa spoliehajú na aktuálne informácie o počte zápisov v pamäti témy. Väčšina prístupov zavádza do pamäťového radiča špecializovaný hardvér na zhromažďovanie informácií o počte zápisov, ktorý nie je dostupný v bežne dostupných systémoch a môže byť ťažké ho realizovať.

Dong a spol. [4] použiť offline zaznamenanú stopu pamäte na odhad distribúcie zápisu, čo obmedzuje prístup len na podmnožinu známych aplikácií.

2.2 Prečítajte si Vyrovnanie opotrebenia

Podľa nášho najlepšieho vedomia neexistujú žiadne vyhradené algoritmy na vyrovnávanie opotrebenia pri čítaní v čítacích NVM. Hardvérové ​​prístupy, ktoré nezohľadňujú starnutie alebo ktoré sa priamo rozhodujú na základe opotrebovania každej bunky, sú však štandardne kompatibilné s pamäťami s deštruktívnym čítaním.

Ak sa opotrebenie odhaduje z počtu zápisov, možno ho odhadnúť aj z počtu čítania a zápisu spolu. To znamená, že algoritmy súhry hardvéru a softvéru môžu získať presný odhad opotrebovania rozšírením hardvéru o počet prístupov na čítanie.

Pokiaľ sa používajú generické mechanizmy (napr. premapovanie stránky virtuálnej pamäte) [1, 2], modifikácie algoritmov sú minimálne. Na rozdiel od toho, keď sa na vyrovnávanie opotrebovania používajú špecifické mechanizmy (napr. prideľovanie haldy alebo prideľovanie zásobníkov) [14, 15, 20], potom nie je možné jednoducho integrovať vyrovnávanie opotrebenia. Preto je v týchto prípadoch potrebný ďalší špeciálny mechanizmus na vyrovnávanie opotrebenia pri čítaní.

Okrem toho, pre algoritmy dodávané s aproximáciou zápisu [6, 9, 12] je potrebné pridať špecializovanú aproximáciu čítania. Podľa našich najlepších vedomostí ide o prvú prácu, ktorá navrhuje softvérovo riadený prístup na čítanie a zápis do pamäte aproximácia, ktorá sa nespolieha na špeciálne schopnosti ladenia.

Okrem toho sú k dispozícii špecifické algoritmy, ktoré pracujú s dátami špecifickými pre aplikáciu (zásobník a text), pričom algoritmus pre text je určený len pre prístupy na čítanie.

3 CIEĽOVÝ SYSTÉM

V tejto časti najprv rozoberieme typické nastavenie cieľa našich navrhovaných metód. Aj keď naše metódy neobmedzujeme na konkrétne typy NVM, zvažujeme určité vlastnosti týkajúce sa opotrebovania. Predpokladáme, že akákoľvek modifikácia bunky opotrebováva bunku rovnako.

Ďalej nepredpokladáme iteratívny zápis, a teda počet prístupov do pamäte lineárne zodpovedá životnosti pamäte. V našej navrhovanej metóde sa zameriavame na NVM s deštruktívnym zápisom, ako aj deštruktívne na čítanie, a to implementáciou doplnku pre NVM s deštruktívnym čítaním.

Hoci vlastnosť deštruktívneho čítania nemožno nájsť len v jednom type NVM, FeRAM je prominentným príkladom takéhoto NVM. To však neznamená, že naša metóda je obmedzená na FeRAM; môže sa použiť aj na nedeštruktívne NVM, napríklad tým, že sa nepovolí vyrovnávanie opotrebenia pri čítaní.

Čítacia deštruktívna vlastnosť FeRAM pramení zo skutočnosti, že procedúra čítania (tj snímanie hodnoty bunky) bunku prepíše [13, 18]. Počas operácie čítania sa na článok FeRAM aplikuje elektrické pole a merajú sa prenesené náboje, ktoré článok polarizujú. Aby sa zachoval pôvodný stav bunky po prečítaní, stará hodnota sa musí do bunky zapísať znova.

Tento nevyhnutný následný prístup na zápis robí FeRAM deštruktívnym na čítanie. Za cieľový systém považujeme vstavané systémy v prostrediach s obmedzenými zdrojmi, ktoré musia plniť komplexné úlohy, a teda prevádzkovať aj zložitý softvér.

Tento druh systému možno nájsť v ovládačoch automobilov alebo leteckých aplikáciách. Ich vybavenie NVM je žiaduce na zvýšenie kapacity pamäte pri nízkych nákladoch pri zachovaní nízkej spotreby energie. V nasledujúcom texte sa zameriame na náš cieľový systém týkajúci sa (1) hierarchie vyrovnávacej pamäte a (2) všeobecnej architektúry pamäte.

For more information:1950477648nn@gmail.com