几种新型非易失存储器的原理及发展趋势

介绍几种有发展潜力的新型非易失存储器的原理,如铁电存储器、磁性随机存储器、相变存储器和阻变存储器等,并在性能方面作了对比,最后对存在的问题和发展趋势进行了分析。     

面向非易失内存的数据一致性研究综述

随着DRAM技术面临密度扩展瓶颈以及高泄漏功耗问题,新型非易失内存(non-volatile memory, NVM)因其非易失、高密度、字节寻址和低静态功耗等特性,已经得到学术界和工业界的广泛关注.新型非易失内存如相变内存(phase change memory, PCM)很可能替代DRAM或与DRAM混合作为系统主内存.然而,由于NVM的非易失特性,存储在NVM的数据在面临系统故障时可能由于部分更新或内存控制器写重排序而产生不一致性的问题.为了保证NVM中数据的一致性,确保对NVM写操作的顺序化和持久化是基本要求.NVM有着内在缺陷如有限的写耐久性以及较高的写延迟,在保证NVM数据一致性的前提下,减少NVM写次数有助于延长NVM的寿命并提高NVM系统的性能.重点讨论了基于NVM构建的持久索引、文件系统以及持久性事务等数据一致性研究,以便为实现低开销的数据一致性提供更好的解决方案或思路.最后给出了基于NVM的数据一致性研究展望.     

NVMMDS——一种面向非易失存储器的元数据管理方法

元数据管理方法是影响文件系统性能的重要因素.针对现有元数据管理方法存在的查找性能低、适应性差和丢失元数据等问题,设计了面向非易失存储器的元数据管理方法(NVMMDS).首先针对元数据的访问特性和管理要求,给出了NVMMDS的结构和元数据管理流程,混合使用非易失存储器和DRAM存储元数据,为提高元数据查找性能和避免丢失元数据奠定了基础;设计了基于NVBB树的元数据查找算法和基于主动写回的元数据缓存算法,提高了元数据的查找性能,增强了元数据管理方法的适应能力,避免了元数据丢失问题.与现有元数据管理方法进行了分析和比较,在单机文件系统ReiserFs和分布式文件系统pNFS中实现了NVMMDS原型,使用FileBench和多个标准数据集进行了测试与分析,验证了NVMMDS能提高文件系统最大35％的操作处理速度和I/O性能.     

基于动态权衡的新型非易失存储器件体系结构研究综述

作为现有存储器的潜在替代技术,新型非易失存储器受到了来自学术界和工业界越来越多的关注.目前,制约新型非易失存储器广泛应用的主要问题包括写延迟长、写操作动态功耗高、写寿命有限等.针对这些问题,传统的解决方法是利用计算机体系结构的方法,通过增加层或者调度的方式加以避免或隐藏.但是,这类解决方案往往存在软硬件开销大、无法同时针对不同问题进行优化等问题.近年来,随着对新型非易失存储材料研究的深入,一系列器件自身所包含的动态权衡特性被陆续发现,这也为体系结构研究提供了新的机遇.基于这些器件自身的动态权衡特性,研究人员提出了一系列新的动态非易失存储器优化方案.与传统的优化方案相比,这类新型方案具有额外硬件开销小、可同时针对多个目标进行优化等优点.首先对非易失存储器存在的问题及传统的优化方案进行了概括;然后对非易失存储器件中3个重要的动态权衡关系进行了介绍;在此基础上,对近年来出现的一系列基于非易失存储器动态权衡特性的体系结构优化方案进行梳理;最后,对此类研究的特点进行了总结,并对未来的发展方向进行了展望.     

面向新型非易失存储的文件系统研究综述

新型非易失存储(NVM)可字节寻址,具有近似内存的低延迟特性以及外存的非易失性,受限于软硬件技术成熟度,目前首先被用于外存.讨论了NVM用于持久性外存所面临的一系列问题,以及管理上的一些挑战;对现有的典型NVM文件系统及其主要特性进行了梳理.归纳起来,这些特性主要围绕降低一致性开销、降低软件栈开销、内存与外存的融合、分布式文件系统、NVM文件系统安全、容错、空间管理几个方面展开.最后,展望了NVM文件系统仍然有待探讨的几个研究方向,包括扩展性问题、虚拟内存与文件系统的有机融合以及分布式文件系统等.     

基于非易失存储器的事务存储系统综述

随着非易失存储器的出现和广泛使用,存储体系结构正在发生根本改变.传统数据库系统与文件系统事务处理技术大多基于磁盘设备,设计之初并未考虑非易失存储器特性.为了充分利用非易失存储器特性,缩小计算机系统的I/O性能与CPU处理性能之间的差距,基于非易失存储器的事务存储系统与技术成为了研究热点.首先讨论了软件层事务处理技术的现状,分别介绍了传统数据库系统与文件系统事务处理常用技术;然后依据闪存和相变内存进行划分,对现有基于非易失存储器的事务存储系统与技术进行了讨论;最后给出了基于非易失存储器的事务存储系统研究展望.在基于闪存的事务存储相关研究中,首先分析了使用传统设备接口闪存设备加速事务处理的系统设计,然后重点分析了基于专用事务接口的事务闪存存储系统研究,并对基于闪存的事务存储系统不同研究进行了比较.在基于相变内存的事务存储相关研究中,分别分析并比较了相变内存在主存环境和外存环境提供事务处理的技术,重点讨论了日志与缓存融合技术、细粒度日志技术等关键问题.     

富士通和爱普生宣布将联合开发下一代FRAM非易失存储器技术

富士通公司和精工爱普生公司近日宣布，双方已签署协议将联合开发下一代铁电随机存储器(Ferroelectric Random Access Memory，FRAM)非易失存储器技术。     

面向非易失性内存文件系统的NVM模拟与验证方法

现有非易失性内存文件系统都以DRAM模拟非易失性内存(Non-Volatile Memory,NVM)进行测试,而没有充分考虑两者间的写时延和写磨损特性差异,使得测试结果无法准确反映文件系统在NVM物理设备上的写性能以及对NVM造成的磨损情况。现有NVM模拟器准确度不高,且仿真接口不完备,无法满足内存文件系统对NVM的仿真需求。对此,提出一种面向非易失性内存文件系统的NVM模拟与验证方法。首先,结合非易失性内存文件系统本身的数据读写特性,提出内存文件系统中NVM写时延的模拟方案;其次,跟踪内存文件系统对NVM的读写操作,以验证文件系统对NVM物理设备的写磨损分布情况。选取多个典型内存文件系统实现上述方法。实验结果表明,提出的写时延模拟方法能够将写时延的模拟误差平均降低65%,写磨损验证方法能够较准确地反映内存文件系统对不同粒度NVM页面的磨损分布情况。     

新型非易失存储环境下事务型数据管理技术研究

为适应底层存储架构的变化,上层数据库系统已经经历了多轮的演化与变革。在大数据环境下,以非易失、大容量、低延迟、按字节寻址等为特征的新型非易失存储器件（NVM）的出现势必对数据库系统带来重大影响,相关的存储与事务处理技术是其中值得关注的重要环节。首先,概述了事务型数据库系统随存储环境发展的历史与趋势;其次,对影响上层数据管理系统设计的非易失性存储技术,以及面向大数据应用领域与硬件环境优化的事务技术进行综述与分析;最后,对非易失存储环境下事务型数据库面临的挑战与研究趋势进行了展望。     

NV-Shuffle：基于非易失内存的Shuffle机制

Shuffle是大数据处理过程中一个极为重要的阶段.不同类型的Task(或者Stage)之间通过Shuffle进行数据交换.在Shuffle过程中数据需要进行持久化,以达到避免重计算和容错的目的.因此Shuffle的性能是决定大数据处理性能的关键因素之一.由于传统Shuffle阶段的数据通过磁盘文件系统进行持久化,所以影响Shuffle性能的一个重要因素是I/O开销,尤其是对基于内存计算的大数据处理平台,例如Spark,Shuffle阶段的磁盘I/O可能拖延数据处理的时间.而非易失内存(NVM)具有读写速度快、非易失性以及高密度性等诸多优点,它们为改变大数据处理过程中对磁盘I/O的依赖、克服目前基于内存计算的大数据处理中的I/O性能瓶颈提供了新机会.提出一种基于NVM的Shuffle优化策略——NV-Shuffle.NV-Shuffle摒弃了传统Shuffle阶段采用文件系统的存储方式,而使用类似于Memory访问的方式进行Shuffle数据的存储与管理,避免了文件系统的开销,并充分发挥NVM的优势,从而减少Shuffle阶段的耗时.在Spark平台上实现了NV-Shuffle,实验结果显示,对于Shuffle-heavy类型的负载,NV-Shuffle可节省大约10%~40%的执行时间.     

基于非易失性存储器的存储引擎性能优化

非易失性存储器具有接近内存的读写速度,可利用其替换传统的存储设备,从而提升存储引擎的性能。但是,传统的存储引擎通常使用通用块接口读写数据,导致了较长的 I/O 软件栈,增加了软件层的读写延迟,进而限制了非易失性存储器的性能优势。针对这一问题,该文以 Ceph 大数据存储系统为基础,研究设计了基于非易失性存储器的新型存储引擎 NVMStore,通过内存映射的方式访问存储设备,根据非易失性存储器的字节可寻址和数据持久化特性,优化数据读写流程,从而减小数据写放大以及软件栈的开销。实验结果表明,与使用非易失性存储器的传统存储引擎相比,NVMStore能够显著提升 Ceph 的小块数据读写性能。     

非易失性存储器件的性能、可靠性及应用

随着大数据和人工智能应用的发展,数据呈现爆发式增长,对数据存储的需求日益加剧。传统内存技术的容量已经接近其物理存储密度的极限,而非易失性存储器具有按字节寻址、能耗低、读写速度快等优良特性,有望替代传统的动态随机存储器或磁盘技术。然而,该介质本身也存在一些不足,如使用寿命有限、读写速度不对称、磨损不均衡和错误来源多样等缺点。该文通过阐述常见非易失性存储器的存储原理,调研并总结了一些现有改进技术。     

基于相变存储器的存储系统与技术综述

随着处理器和存储器之间性能差距的不断增大,“存储墙”问题日益突出,但传统DRAM器件的集成度已接近极限,能耗问题也已成为瓶颈,如何设计扎实有效的存储架构解决存储墙问题已成为必须面对的挑战.近年来,以相变存储器(phase change memory, PCM)为代表的新型存储器件因其高集成度、低功耗的特点而受到了国内外研究者的广泛关注.特别地,相变存储器因其非易失性及字节寻址的特性而同时具备主存和外存的特点,在其影响下,主存和外存之间的界限正在变得模糊,将对未来的存储体系结构带来重大变化.重点讨论了基于PCM构建主存的结构,分析了其构建主存中的写优化技术、磨损均衡技术、硬件纠错技术、坏块重用技术、软件优化等关键问题,然后讨论了PCM在外存储系统的应用研究以及其对外存储体系结构和系统设计带来的影响.最后给出了PCM在存储系统中的应用研究展望.     

持久化内存文件系统的磨损攻击与防御机制

近来出现诸多以非易失性存储器(non-volatile memory,简称NVM)作为存储设备的新型持久化内存文件系统,充分发掘NVM的低延迟和可按字节寻址等优点,优化文件访问的I/O栈和一致性机制,极大提升文件系统的性能.然而,现有持久化内存文件系统都没有考虑NVM写耐受度低的缺陷,极易导致NVM被磨损穿(wear out).针对NVM写耐受度低的缺点,探索多种利用基本文件操作对NVM造成磨损攻击的方式,并在真实持久化内存文件系统PMFS中以实验证明磨损攻击的严重性.为有效防御针对NVM的磨损攻击,提出了持久化内存文件系统磨损防御机制(persistent in-memory file system wear defense technique,简称PFWD),包括索引节点元数据虚拟化技术、超级块迁移技术、文件数据页磨损均衡技术和文件索引结构迁移技术,保护文件系统中所有可能被磨损攻击利用的数据结构.实验结果证明所提出的PFWD技术能有效地防御病毒发动对NVM的磨损攻击,提高了存储系统的稳定性.     

新型非易失存储研究

近年来,由于处理器性能和存储性能之间的差距不断扩大,存储系统成为计算机整体系统性能提升的瓶颈.随着微电子技术的迅速发展,新型非易失存储器件由于具有非易失、低能耗、良好的可扩展性和抗震等优良特性,得到了学术界和工业界的广泛关注.介绍了4种新型非易失存储器件,分别是STT-RAM,RRAM,PCRAM和FeRAM,对比了其与传统存储器件的性能参数.讨论了目前在存储架构中的不同层面(即缓存层、主存层和外存层)针对这些非易失存储器件的利用所开展的一些探索性工作,并分析了其中针对非易失存储器件的写次数有限、读写性能不均衡等不足所作出的一些策略设计.最后,对新型非易失存储器件的研究现状进行了总结,并提出了未来可能的发展方向.     

一种分布式持久性内存文件系统的一致性机制

持久性内存(persistent memory, PM)和远程直接内存访问(remote direct memory access, RDMA)具有高带宽、低延迟的硬件性能,这为设计高性能的分布式存储系统提供了新的机遇.然而,它们这些新的特性为高效的数据一致性管理引出了诸多问题：一方面,持久性内存数据一致性依赖于CPU主动执行硬件指令刷写缓存实现,而这类指令开销极高,严重影响CPU处理性能;另一方面,RDMA在服务器端CPU不参与的情况下直接读写服务器端内存,因此服务器端CPU无法主动感知数据写入事件以执行数据刷写操作,一旦系统崩溃会造成数据不一致的问题.针对以上2个问题,提出一种分布式持久性内存文件系统的一致性机制(crash consistency mechanism, CCM)：首先设计实现了基于操作日志的一致性保障策略,通过将每次操作的元信息记录至日志,并持久化,以保障系统的一致性状态;其次,设计了一种客户端对服务器端的远程写一致性策略,在完成数据传输的同时使服务器端CPU主动执行数据刷写;最后实现了一种服务器端的数据异步持久化,以提高系统的处理能力.测试结果表明,基于CCM的文件系统写吞吐可达到网络裸带宽的88%.相比于现有系统Octopus,CCM性能下降控制在1%以内.     

通过非易失存储和检查点优化缓解日志开销

在文件系统进行用户数据和元数据的持久化过程中,如果出现异常掉电或系统崩溃,可能导致文件系统出现数据的不一致性问题.现有的Ext4文件系统通过写前日志(write-ahead logging, WAL)技术结合事务机制来保证持久化操作的一致性.写前日志技术将文件系统元数据写入磁盘2次,元数据的粒度小、数量大、重复度高,影响了程序的性能,也缩短了Flash存储介质的使用寿命.针对这一问题,提出了使用新型非易失存储(non-volatile memory, NVM)作为存放日志的独立外部设备,并通过存取指令(load/store)接口直接访问;同时使用倒序扫描(reverse scan)技术对检查点(checkpoint)流程进行优化,减少同一数据块的重复写操作.实验结果表明,使用NVM作为外部日志分区,对于写操作比重较大的程序,在HDD上带宽提升接近50%;在SSD上带宽提升达到23%;在checkpoint时使用倒序扫描之后,写入次数降低明显,带宽提升接近20%.