近数据处理的非易失内存控制器架构和关键技术

Non-volatile memory devices have become the priority of the next generation memory technology, but how to do the management of the NVM controller for obtaining efficient storage devices stays an important challenge. This project will aim to effectively and securely mix NVM and DRAM together, solve the problems for the lack of adaptivity of traditional memory controllers caused by its fixed hardware and the lack of integrated management caused by hierarchical scheduling, and propose an architecture and key technologies of NVM controller with features of on-demand adaptation and heterogeneous mixture. The project includes: to give the application-aware multi-objective optimization model, to obtain the method of on-demand adapting and heterogeneously mixing storage resources, and to provide theoretical basis for controller design; to study flexible-hardware-based near-data-processing accelerating mechanisms, reconfigurable methods for the FPGA-based controller and technologies of integrated scheduling while satisfying different application needs adaptively; to provide scheduling optimization methods for endurance and performance according to NVM features so as to make best use of NVM’s advantages while bypassing its disadvantages; to give dynamic wear-leveling algorithms and efficient memory encryption techniques for the security threat caused by the endurance issue and the non-volatile feature while maintaining the performance. This research will provide theory and methods for building fast NVM systems and controllers, and thus promote the application of NVM.

新型非易失存储器(NVM)成为下一代存储技术的首选，但是如何针对非易失存储器进行控制和管理形成高效的存储设备是面临的重要挑战。本项目以DRAM与NVM融合构成高效安全的非易失存储为目标，针对传统内存控制器硬件固定导致自适应性不足，层次调度导致缺乏一体化管理等突出问题，提出研究按需适配异构融合存储控制器架构及关键技术。包括：建立应用感知的多目标优化模型，形成存储资源异构融合按需适配方法，为控制器设计提供理论基础；研究“硬件可变”的近数据处理加速机制，基于FPGA的控制器可重构方法和一体化调度技术，以自适应满足不同应用需求；研究针对非易失存储器介质特征的性能、寿命优化调度方法，发挥其性能优势且屏蔽其缺陷；针对耐久性问题和非易失特性所带来的安全威胁，形成相应的动态磨损均衡算法和高效内存加密技术，保安全同时性能不降低。项目研究将为构建高速非易失内存系统及控制器提供理论和方法，推进非易失存储器应用。

新型非易失存储器（NVM）成为下一代存储技术的首选，但是如何设计非易失存储器控制和管理方法以形成高效的存储设备是当前面临的重要挑战。本项目以DRAM与NVM融合构成高效安全的非易失存储系统为目标，从按需适配异构融合存储架构、近数据处理方法、针对NVM特性的优化技术、面向NVM的安全保障技术方面开展研究。在按需适配异构融合存储架构方面，研究了不同应用场景下的异构融合存储系统优化方法，实现不同场景下异构融合存储系统的最优适配。在近数据处理方法方面，实现了可重构存储控制器硬件原型，研究了面向NVM的近数据压缩和编码方法和基于交叉点阵列的存算融合方法，通过近数据处理的思想加速异构融合存储系统的整体性能。在针对NVM特性的优化技术方面，研究了面向不同NVM介质特性的优化方法，缓解了介质特性对系统的性能和可靠性的影响。在面向NVM的安全保障技术方面，研究了基于NVM特性的攻击方法以及对抗机制，以提高NVM设备的安全性。针对安全保障开销过大的问题，研究了面向安全NVM的优化方法，从而以较低的开销实现安全保障。项目共发表论文49篇（CCF A类14篇），申请发明专利55项。研究成果推进了近数据处理的异构融合存储系统的发展，为推广NVM的应用提供技术支撑。