面向混合內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)的模擬器

劉 東， 張進寶， 廖小飛， 金 海

（華中科技大學(xué) 計算機學(xué)院，服務(wù)計算技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點實驗室，集群與網(wǎng)格計算湖北省重點實驗室，武漢430074）

0 引 言

內(nèi)存是所有計算機系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，內(nèi)存技術(shù)的發(fā)展近年來面臨著新的嚴(yán)峻考驗：一方面，多核／眾核處理器技術(shù)的飛速發(fā)展使得系統(tǒng)對大容量、高帶寬內(nèi)存的需求不斷增大；另一方面，大數(shù)據(jù)時代下大量數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用的涌現(xiàn)也對內(nèi)存的容量、性能、功耗都提出了新的更高的要求.與此相對，以動態(tài)隨機存儲器（DRAM）為代表的傳統(tǒng)內(nèi)存技術(shù)的發(fā)展卻遇到了瓶頸：受限于制造工藝，在較低的成本上獲得更大容量的DRAM內(nèi)存變得越發(fā)困難［1］；且隨著容量的不斷增大，DRAM內(nèi)存的高能耗問題也日益凸顯，內(nèi)存的能耗在整個系統(tǒng)能耗中的占比非常大，在一些服務(wù)器系統(tǒng)中，內(nèi)存的能耗已經(jīng)接近甚至超過了處理器的能耗［2－5］.

所幸的是，新型非易失性存儲（Non－Volatile Memory，NVM）技術(shù)的興起與發(fā)展為打破傳統(tǒng)DRAM內(nèi)存這一系統(tǒng)性能與能耗瓶頸提供了契機.以相變存儲器（Phase Change Memory，PCM）為代表的非易失性存儲器件有著良好地可擴展性，比閃存（Flash Memory），更加接近DRAM的時延與帶寬特性，非易失性，以及極低的靜態(tài)功耗等一系列優(yōu)良的特性.遺憾的是，它們同樣也有著使用壽命短、寫時延與功耗過高等一些尚未克服的缺陷.因此，尚不具備利用非易失性存儲完全替代DRAM作為主存的技術(shù)條件.目前比較通行的做法是利用新型非易失性存儲器件與傳統(tǒng)DRAM構(gòu)建混合內(nèi)存（Hybrid Memory），以期達到充分發(fā)揮兩者自身優(yōu)勢同時避免各自缺陷這一目的［3－6］.

1 相關(guān)模擬器

由于目前還沒有真實的混合內(nèi)存物理器件，因此學(xué)術(shù)界在這一領(lǐng)域的研究工作都是基于模擬器平臺來開展的.硬件模擬技術(shù)分為局部和全系統(tǒng)模擬兩種類型，目前較為常用的模擬內(nèi)存的局部模擬器有NVMain、DRAMSim2等.NVMain［7］是一個在內(nèi)存結(jié)構(gòu)層面模擬新型非易失性存儲器材的內(nèi)存模擬器，同時也能模擬傳統(tǒng)DRAM的內(nèi)存結(jié)構(gòu).DRAMSim2［8］也是一個時鐘精確的高度可配置的內(nèi)存系統(tǒng)模擬器，它針對多種類型的DRAM內(nèi)存做了詳細的時鐘模擬，但目前尚不支持非易失性存儲模型.NVMain和DRAMSim2既可以作為局部模擬器獨立運行，也能集成進其他全系統(tǒng)模擬器作為內(nèi)存部件模擬內(nèi)存行為.

較為流行的全系統(tǒng)模擬器包括MARSSx86、gem5等.MARSSx86［9］是一個模擬x86架構(gòu)的全系統(tǒng)多核模擬器，它在評估系統(tǒng)設(shè)計方案以及研究處理器微體系結(jié)構(gòu)方面有著出色的表現(xiàn).gem5［10］是由 M5［11］和 GEMS［12］緊耦合而成的全系統(tǒng)模擬器，其中 M5提供高度可配置的模擬框架、多種指令集架構(gòu)和多種CPU模型，gems提供精細靈活的內(nèi)存系統(tǒng)，包括多種緩存一致性協(xié)議和互聯(lián)模型.

上述全系統(tǒng)模擬器雖然都能比較完整地模擬全系統(tǒng)行為，但均不支持混合內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)；局部硬件模擬器雖然精細靈活，但卻不能完整地揭示新型體系結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)的全局影響.為了更好地對新型體系結(jié)構(gòu)開展研究，集成使用全系統(tǒng)模擬器和局部硬件模擬器構(gòu)建新的支持混合內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)的模擬器平臺是一個不錯的技術(shù)思路，選擇使用gem5和NVMain構(gòu)建所需的模擬器平臺.兩種模擬器的內(nèi)存時序邏輯嚴(yán)格按照硬件生產(chǎn)廠商所發(fā)布的數(shù)據(jù)表（Data sheet）來設(shè)置，且在全系統(tǒng)模擬器gem5上可以運行真實的程序，這就為所構(gòu)建模擬器的可靠性提供了有力保障.

2 面向混合內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)的模擬器

為了實現(xiàn)gem5模擬器平臺對混合內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)的支持，并進一步開展對新型混合內(nèi)存的研究，在gem5上開展如下工作.

2.1 混合內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)框架

gem5作為一個可以運行原生Linux內(nèi)核的全系統(tǒng)模擬器，本身可以比較完整地模擬全系統(tǒng)行為，圖1所示為gem5可以模擬的原生系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu).CPU0和CPU1分別擁有私有的一級數(shù)據(jù)緩存和一級指令緩存，兩個CPU的一級緩存通過L2Bus總線與共享的二級緩存相連，二級緩存再通過內(nèi)存總線（Memory Bus）與內(nèi)存模塊相連.其中，可選的內(nèi)存模塊主要是幾種傳統(tǒng)的DDR動態(tài)隨機存儲器（DDR3、LPDDR3等），gem5缺乏模擬新型非易失性存儲器件的功能，且同一時刻有且只能有一種內(nèi)存模塊在工作，亦即原生的gem5模擬器并不支持混合內(nèi)存體系結(jié)構(gòu).

為了擴展gem5的功能，使其支持混合內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)，對其做相應(yīng)的修改.圖2所示為修改后的gem5混合內(nèi)存系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，即在內(nèi)存總線和內(nèi)存模塊之間添加一層混合內(nèi)存控制器（Hybrid Memory Controller）結(jié)構(gòu)，再將DRAM內(nèi)存模塊和新型非易失性內(nèi)存模塊與混合內(nèi)存控制器相連.DARM模塊沿用gem5中的原生模塊，NVM模塊引入NVMain中的NVM內(nèi)存模型.

2.2 多種內(nèi)存混合策略

首先，新型非易失性存儲器件的種類繁多，除了前文提到的相變存儲器PCM之外，還有阻變存儲器RRAM、鐵電存儲器FeRAM等.為了更好地研究不同非易失性存儲與DRAM內(nèi)存混合所帶來的性能與能耗變化，需要構(gòu)建多種非易失性存儲模型作為圖2中的NVM與DRAM內(nèi)存混合使用.

其次，混合內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)中兩種不同存儲介質(zhì)之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系也將對混合內(nèi)存系統(tǒng)的實驗效果產(chǎn)生影響，層次結(jié)構(gòu)［3］和平行結(jié)構(gòu)［5］是兩種主流的混合結(jié)構(gòu)，具體到在gem5中的實現(xiàn)，主要的任務(wù)就是針對兩種結(jié)構(gòu)關(guān)系分別設(shè)計混合內(nèi)存控制器，并且要能通過配置文件來選擇所需的混合策略.

圖1 gem5系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure of gem5

圖2 gem5混合內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)Fig.2 System structure of gem5 with hybrid memory

2.3 Cache優(yōu)化管理機制

高速緩存（Cache）在整個存儲體系中占有極其重要的地位，設(shè)計精良、管理得當(dāng)?shù)腸ache可以極大地彌補慢速主存與高速CPU之間的速度差異，使整個計算機系統(tǒng)獲得近乎于cache的訪存性能.為了盡可能地減小NVM介質(zhì)的長讀寫時延對系統(tǒng)性能帶來的不利影響，充分發(fā)揮混合內(nèi)存中傳統(tǒng)DRAM的性能優(yōu)勢，需要針對混合內(nèi)存環(huán)境下的cache替換策略進行優(yōu)化.

（1）cache不命中的性能開銷.傳統(tǒng)DRAM內(nèi)存環(huán)境下，cache不命中之后的訪存行為不管是讀操作還是寫操作，其性能開銷都近乎一致.在混合內(nèi)存環(huán)境下，cache不命中之后的訪存行為可分為兩類，一類是訪問DRAM，一類是訪問NVM，它們的性能開銷差異很大.此外，跟DRAM內(nèi)存讀寫時延近乎一致所不同的是，NVM內(nèi)存的讀時延和寫時延也有著數(shù)倍的差距［5］.

（2）cache替換時victim塊的判定.傳統(tǒng)DRAM內(nèi)存環(huán)境下，廣泛使用的類LRU替換算法根據(jù)訪存的時空局部性或cache重用距離等因素來選擇cache替換時的victim塊，根據(jù)上一小節(jié)的分析討論，這種判定機制在混合內(nèi)存環(huán)境下并不完全適用，選擇victim緩存塊時還需要綜合考慮cache塊的不命中處罰.圖3所示為混合內(nèi)存環(huán)境下的cache替換決策機制：一方面，利用類LRU算法中緩存塊在緩存組中的位置信息來計算緩存塊的重用幾率；另一方面，在緩存塊中添加來源位以標(biāo)識緩存塊是來自DRAM內(nèi)存還是NVM內(nèi)存，并用此來源位信息評估該緩存塊的不命中處罰.重用幾率與不命中處罰兩個因素最終共同決定各緩存塊的替換優(yōu)先級.

圖3 混合內(nèi)存環(huán)境下cache替換決策機制Fig.3 Decision－making mechanism of cache replacement in the hybrid memory system

2.4 基于頁面熱度的頁面遷移策略

為了充分發(fā)揮非易失性存儲器低功耗以及DRAM高性能的優(yōu)勢，在gem5模擬器的混合內(nèi)存控制器中添加基于頁面熱度的混合內(nèi)存頁面遷移策略，如圖4所示.該策略主要包含如下4部分內(nèi)容.

（1）頁面?zhèn)蓽y.在混合內(nèi)存控制器中添加新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，利用該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分別記錄內(nèi)存頁面在局部時間和全局時間內(nèi)的讀寫頻次，這些采集到的訪存信息將被用來判定頁面的冷熱.

（2）頁面篩選.在混合內(nèi)存控制器中統(tǒng)計了頁面的熱度信息，根據(jù)這些信息綜合考慮局部時間和全局時間，將那些從開始到當(dāng)前時間寫次數(shù)多，并且局部時間也被頻繁訪問的頁面定為熱頁面，將那些一開始就較少訪問，并且最近也很少用到的頁面定為冷頁面.冷熱頁面劃分時，要考慮熱頁面可能會有局部冷訪問時段，而冷頁面也會有局部熱訪問時段.

（3）頁面遷移.確定了冷熱頁面后，計算遷移帶來的性能開銷和遷移帶來的性能提升，選取遷移收益大的頁面進行遷移.與此同時，為了充分利用DRAM，根據(jù)DRAM的利用率，有保守和激進兩種遷移模式，在激進模式下盡最大可能向DRAM空位置遷移，而保守模式下也要從DRAM中換出冷頁面到非易失性存儲器中.

（4）頁面重映射.遷移的頁面需要進行重映射來保障程序的正確運行，這就需要在混合內(nèi)存控制器中維護一個從源頁面到目的頁面的重映射表.每次遷移都要維護這個重映射表，每次的操作或者是更新表項或者是添加新的條目.

圖4 混合內(nèi)存控制器結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of the hybrid memory controller

3 模擬實驗

為了證明上述構(gòu)建混合內(nèi)存模擬器平臺方法的可行性，在gem5上進行對照實驗，系統(tǒng)配置參數(shù)如表1所示.其中，CPU類型指定參數(shù)timing，亦即選定gem5中的Timing Simple CPU，這樣相應(yīng)的訪存將根據(jù)時序模型模擬運行.設(shè)置兩級緩存，包括4路組相聯(lián)的32 KB一級指令緩存和32 KB一級數(shù)據(jù)緩存以及8路組相聯(lián)的2 MB二級緩存，兩級緩存的緩存行（Cache Line）大小同為64B.

內(nèi)存配置方面，設(shè)一組傳統(tǒng)DDR3 SDRAM內(nèi)存作為基準(zhǔn)組，選取變存儲器（PCM）以及由以上兩種介質(zhì)構(gòu)建而成的混合內(nèi)存作為對照組.所選DDR3 SDRAM和PCM的時延參數(shù)如表2所示.總的來說，PCM的讀性能雖然比DRAM差，但還算比較接近，而PCM的寫性能比DARM的寫性能差得多，它們已不在一個數(shù)量級［5］.

表1 模擬器系統(tǒng)配置Tab.1 System configuration of the simulator

表2 內(nèi)存時延參數(shù)Tab.2 Delay of the memory

選取SPEC CPU2006基準(zhǔn)測試集中的sjeng、calculix、lbm、cactusADM以及專門測試內(nèi)存性能的STREAM［13］作為測試程序.由于每個測試程序運行時所消耗的內(nèi)存大小各不相同，針對不同程序所設(shè)置的模擬器系統(tǒng)內(nèi)存大小也并不統(tǒng)一.如表3所示，為了使混合內(nèi)存環(huán)境下程序的訪存均勻地分布在兩種不同的存儲介質(zhì)上，針對不同程序的內(nèi)存混合方案也做了精心設(shè)計.

表3 測試程序內(nèi)存配置Tab.3 Memory configuration of the benchmark

模擬器本身即為大型程序，在它上面運行測試程序的速度比在真實物理機上的速度要慢得多，為了將測試程序的運行時間控制在一個可以接受的范圍之內(nèi)，選擇手動指定各測試程序在模擬器上運行的指令數(shù)而不是將它們?nèi)窟\行完畢.與此同時，為了盡可能地減小由此而帶來的對實驗結(jié)果準(zhǔn)確性的不良影響，亦即盡可能運行較多的指令，我們進行了反復(fù)的測試運行，最終確定了如表3所示的各測試程序的模擬運行指令數(shù).特別地，calculix由于程序本身運行較快，其所有指令都運行完畢.

4 實驗結(jié)果與分析

圖5所示的是以純DRAM內(nèi)存為基準(zhǔn)，3種內(nèi)存環(huán)境下運行各測試程序時標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)CPI（Cycles Per Instruction）.

圖5 不同內(nèi)存環(huán)境下標(biāo)準(zhǔn)化的CPI（以純DRAM內(nèi)存為基準(zhǔn)）Fig.5 Normalized CPI in different memory systems（Normalized to DRAM）

不難發(fā)現(xiàn)，純DRAM內(nèi)存的性能最好，混合內(nèi)存其次，純PCM內(nèi)存在性能上表現(xiàn)最差，這完全符合實驗預(yù)期.5組實驗結(jié)果的不同之處在于，有的測試程序，如sjeng，在3種不同內(nèi)存環(huán)境下的性能差異很大；而有的測試程序，如calculix，其性能似乎對內(nèi)存環(huán)境并不敏感.通過分析程序訪存的統(tǒng)計信息可以很好地解釋這一現(xiàn)象.

表4是混合內(nèi)存環(huán)境下測試程序內(nèi)存讀寫的分布表，從表中可以清楚地看出，在混合內(nèi)存環(huán)境下，sjeng的內(nèi)存讀、寫總量都很大且90%左右的讀寫操作都發(fā)生在PCM中，而PCM的訪存性能（尤其是寫）比DRAM差，這就導(dǎo)致程序運行時的訪存總時延被大大延長，進而導(dǎo)致sjeng運行時系統(tǒng)CPI大幅度提高.calculix對內(nèi)存環(huán)境不敏感的原因是雖然其讀寫操作大部分發(fā)生在低性能的PCM中，但是訪存總量小，例如寫PCM操作只在千次數(shù)量級，而該操作最能影響系統(tǒng)CPI.表4中需要特別說明的是lbm行，并非數(shù)據(jù)出錯，而是其程序本身的訪存特性就是如此，絕大部分內(nèi)存讀寫操作的位置相對集中，只有極少數(shù)的訪存行為越過集中內(nèi)存區(qū)域，這也可能跟有限的執(zhí)行指令數(shù)相關(guān).

表4 混合內(nèi)存環(huán)境下測試程序訪存分布（括號內(nèi)為讀寫次數(shù)）Tab.4 Distribution of memory access of the benchmark in the hybrid memory system （between the brackets are memory access counts）

圖6所示是不同內(nèi)存環(huán)境下標(biāo)準(zhǔn)化的內(nèi)存總線吞吐率，依然可以清晰地看出DRAM內(nèi)存的總線吞吐率最大，Hybrid其次，PCM最低這一趨勢.圖中形狀的差異同樣可以從表4中不同測試程序的訪存統(tǒng)計信息中分析出結(jié)果，在此不再贅述.

圖6 不同內(nèi)存環(huán)境下標(biāo)準(zhǔn)化的內(nèi)存總線吞吐率（以純DRAM內(nèi)存為基準(zhǔn)）Fig.6 Normalized throughput of the memory bus in different memory systems（Normalized to DRAM）

5 結(jié) 論

實驗結(jié)果與理論預(yù)期完全吻合，充分說明了利用gem5和NVMain來構(gòu)建混合內(nèi)存系統(tǒng)模擬器是一種可行的技術(shù)方案.

眾所周知，混合內(nèi)存是非常有前景的技術(shù)領(lǐng)域，新型非易失性存儲器件的興起與發(fā)展為提高內(nèi)存擴展性、降低內(nèi)存能耗等技術(shù)難題的解決帶來了新的希望；同時，它也帶來了控制混合內(nèi)存性能損失、延長非易失性存儲使用壽命等挑戰(zhàn).現(xiàn)階段要想開展針對混合內(nèi)存的研究工作，必須借助于模擬器，因此，一個面向混合內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)模擬器對于相關(guān)研究人員來說顯得尤為重要.今后，我們將會沿著文中指出的技術(shù)路線進一步完善混合內(nèi)存模擬器平臺.

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