面向混合内存的系统软件机理和关键技术研究

Recent advances in Non-Volatile Memory (NVM) bring an opportunity for the development of in-memory computing paradigm. By combining storage class memory (SCM) based on NVM and traditional main memory, the main memory capacity can be significantly increased with the advantage of retaining low cost and energy consumption. However, the introduction of hybrid main memory architecture poses some new challenges to the design of system software. This project will focus on the mechanism and design principles of system software for hybrid main memory architecture. The project will explore the memory allocating ，recycling and mapping,establish a unified management framework for hybrid main memory architecture; abstract in-place writing and byte-addressable accessing characteristics of SCM, design a set of flexible multi-mode system interfaces for accessing hybrid main memory; investigate approaches to supporting semantics related memory data structure in hybrid main memory, develop a semantics supported user mode file system; finally,construct a prototype system to validate and verify the effectiveness of the mechanisms proposed and key technologies developed.

新型非易失性存储器件近年来工艺进展和成本走低，为内存计算模式的应用和发展创造了机会。将基于非易失性存储器件的新型存储级内存SCM与传统内存相结合组成混合内存，可以在保持成本和能耗优势的前提下大幅提升内存容量，为大数据的高效实时处理提供支持。然而,混合内存体系架构的引入，对系统软件的设计提出了新的挑战。.项目拟针对混合内存体系架构下支持内存计算的系统软件机理和关键技术展开研究。探索支持混合内存管理的内存分配、回收和地址映射方法，设计混合内存高效统一管理机制；研究基于原地写操作、按字节访问的持久内存一致性抽象模型，设计灵活的支持混合内存多模式访问的系统接口；研究混合内存体系架构下支持语义描述的内存数据结构，设计并实现相应的用户态语义文件系统；通过原型系统构建和系统模拟仿真，对设计的支持混合内存的系统软件的有效性和合理性进行验证。

新型非易失性存储器件近年来工艺进展和成本走低，为内存计算模式的应用和发展创造了机会。将基于非易失性存储器件的新型存储级内存SCM与传统内存相结合组成混合内存，可以在保持成本和能耗优势的前提下大幅提升内存容量，为大数据的高效实时处理提供支持。然而，混合内存体系架构的引入，对系统软件的设计提出了新的挑战。项目针对混合内存体系架构下支持内存计算的系统软件机理和关键技术展开研究。项目组遵照预设的研究计划开展研究，取得了多项技术成果，包括：1）项目新型非易失性存储器件及其技术近年来发展迅速，为内存计算的应用和发展创造了机会。将基于非易失性存储器件的新型存储级内存SCM与传统内存相结合组成混合内存，可以在保持成本和能耗优势的前提下大幅提升内存容量，为大数据的高效实时处理提供支持。然而，混合内存体系架构的引入，对系统软件的设计提出了新的挑战。项目针对混合内存体系架构下支持内存计算的系统软件机理和关键技术展开研究。项目组遵照预设的研究计划开展研究，取得的技术成果包括：1）项目面向混合内存体系架构，设计并实现了一个混合内存管理系统，该系统支持对混合内存的内存分配、回收和地址映射，并通过检查点机制保障系统的可靠性；该系统还利用持久内存的可字节寻址特性，避免了传统的字节到块转换的持久化过程开销，有效提升了持久化性能。2）项目研究了持久内存一致性抽象模型，实现了包括持久内存访问文件模式、持久内存访问主存模式、持久内存访问块模式在内的多模式访问接口；项目设计的多模式访问接口能相互兼容，灵活支持上层各类应用的需求。3）项目研究了混合内存文件系统架构，设计并实现了一个高性能的持久性内存文件系统，该文件系统通过高效的快照机制实现了多版本特性，以维护数据及元数据一致性，提供可靠性保障；该文件系统还设计了对底层持久性内存介质和上层应用读写特性的双向感知机制，从而实现了持久内存文件读写加速机制，显著提升了持久性内存文件系统的读写性能。4）另外，项目还通过模拟及实际硬件平台对上述设计的混合内存系统软件进行了集成与测试，测试结果验证了设计的系统软件的有效性和合理性。