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先進記憶體系統設計

本研究計畫的主題是低功耗高效能先進記憶體系統設計(2018年進行中計畫)
在計算機組織課程中,大家都學習過Memory Hierarchy(如下圖左)。就是愈靠近CPU Memory 存取速度愈快,但單位容量價格則愈高。然而在製程進步下,漏電的Leakage的問題愈來愈嚴重。由於在晶片中,晶片上的記憶體,如L1 Cache, L2 Cache 或是Scratch Pad Memory 等佔了相當大的空間,它們功耗佔了整個系統的40%~60%,因此如何降低它們功耗是一重要課題。另一個重要的問題是記憶體的頻寬已不能提CPU 所需。

在這研究中,我們設計低功耗高效能之先進記憶體系統,同時由於非揮發性記憶體 Non-Voltage Memory (NVM) 如NAND Flash, NOR Flash 價格愈來愈便宜,可靠度也愈來愈高,而且先進非揮發性記憶體Emerging Non-Voltage Memory (NVM) 如 Spin-Transfer-Torque RAM (STT-RAM),PCRAM (Phase-Chase Memory) 愈來愈成熟。和傳統SRAM相比,非揮發性記憶體具有Leakage Power較低,單位面積上可容納的電晶體數目較多等優點,而且讀取速度遠快於DRAM,

然而非揮發性記憶體的缺點主要是寫入速度較慢,寫入的能耗較高,而且有些非揮發性記憶體可寫入的次數較少,在多次寫入後會損壞。因此為如何善用非揮發性記憶體,和傳統SRAM、DRAM 整合,以提高系統整體效能,降低系統功耗是我們的一重要課題。在本計畫中,我們研究如何整合非揮發性記憶體於Register File (RF)、Cache、Main Memory,以改善整體系統效能,如下圖右中所示。

 
 


下圖中列出我們在2013 提出之多核心系統下的High-Endurance Hybrid Cache 的設計,主要提出了一個Hybrid Local Bank的概念,並結合Cache Partitioning and Access-Aware Policies (下左圖無Hybrid Local Bank, 下右圖有Hybrid local bank),可將使用在Last Level Cache的NVM的壽命延長89倍。


 
 

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