面向非易失存储器的一站式存储访问模型及技术研究

The emerging Non-Volatile Memory (NVM) combines the features of persistency as disk and high performance as DRAM. NVM can be used as both persistent storage and memory. It is a good candidate to break the "Storage Wall" in current computer systems. But traditional storage system is designed for slow disks and memory system is designed based on non-persistent DRAM. Storage access path is very long and software overhead is huge in the former system while the latter does not support persistent storage and not easy to mask defects of NVM. Both of them are not suitable for the emerging non-volatile memory. To overcome these problems, this project will study the mode and technologies of object-based one-stop storage access for the emerging non-volatile memory. The paths of storage access and management are separated by an object-based interface. A one-stop shortcut storage access mode will be built by the cooperation of software and hardware. Some optimizations for NVM, such as wear leveling, balancing the asymmetric read and write, improving the parallelism of hardware and software, can be implemented inside the object controller transparently. These methods and techniques can shorten the I/O path and mask the defects of non-volatile memory, which will full develop the high performance of NVM and achieve rapid I/O access and efficient storage. By full leveraged the advantage of emerging non-volatile memory, the "Storage Wall" will be break and more system potential will be released.

新型非易失性存储器因其既具有接近内存的读写性能又具有类似磁盘的持久存储特性而被视为解决"存储墙"问题的一大利器，但传统的基于慢速磁盘和基于非持久化内存的存储访问、管理模式均不适合新型非易失性存储器。前者存储访问路径过于冗长，软件开销巨大，后者不支持存储持久化，而且不易屏蔽当前非易失性存储器的某些缺陷。本项目针对新型非易失性存储器，研究构建面向新型非易失性存储器的基于对象的一站式存储访问模型与技术。项目采用基于对象的存储访问与管理接口，实现存储访问与存储管理路径分离；通过软硬件结合的方式实现对非易失性存储器一站式存储访问；并通过对象存储接口屏蔽非易失性存储器的缺陷，在对象内部实现诸如磨损均衡、读写不对称屏蔽、并行调度等基于硬件的优化策略。这些方法和技术可缩短存储路径，同时掩盖了非易失性存储器的缺陷，充分发挥其性能优势，实现对其快速高效地存储访问，以期打破"存储墙"，释放系统潜能

新型非易失存储器具有良好的特性，其技术的进步与推广应用为解决计算机系统“存储墙”问题提供了良好的机遇。但传统的基于磁盘的存储I/O栈制约了其性能发挥，因此，本项目以研究面向非易失存储器的访问模型和路径优化为主要目标，分别在存储I/O路径优化、面向非易失存储器的文件系统、日志管理、一致性保障以及面向存储设备的读写优化与磨损均衡等方面展开研究并取得进展。1）分析了传统存储I/O路径并设计实现了不同类型的数据采用不同路径的路径分离策略改善系统I/O访问性能，最高可达20%；2）提出了一种基于非易失内存的轻量级存储架构，精简NVM访问I/O路径，基于该架构设计的文件系统性能得到明显改善，与其他NVM文件系统相比性能最高提高25%；3）设计了基于软件定义的NVM+NAND Flash融合存储系统，充分发挥各种非易失存储设备的优势；4）提出了一种高效的基于非易失内存的文件系统日志方法NJS和基于非易失内存的写高效和一致性哈希方法，在不明显影响读写性能的同时保障NVM存储数据一致性；5）提出了面向PCM存储器的写优化方法和磨损均衡方法，提高存储器的读写性能30%~60%，PCM的使用寿命可延长3倍。本项目发表相关论文22篇，其中SCI收录论文9篇；获得授权专利4项，软件著作版权1项，申请专利5项；参加学术会议10余次，其中国际会议6次并在会上做口头报告；培养博士2名，硕士10名。研究成果为设计大规模使用NVM的计算机系统提供理论与技术支持，相关成果正在推广应用，具有一定的学术价值和应用前景。