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计算机主存储器发展的主要原因探讨

返回列表 来源: 发布日期: 2019.12.14

主存储器(main memory,简称主存)是计算机硬件系统的一个重要组成部分,其作用是存放指令和数据,并能由中央处理器存取。主存一边连接中央处理器(如CPU、FPGA或GPU),另一边连接外存储器(SSD、HDD),是两者之间数据流通的桥梁。主存可以由多种介质构成,其中动态随机存取存储器(DRAM)因其相对较低的成本和读写延迟,是当前构建主存的主要介质。由于现代应用程序的输人数据集规模不断增大,对更高的DRAM容量和性能的需求也在不断增加。然而,DRAM在容量增加的情况下,保持其效能比和可靠性正变得越来越困难,因此,满足应用程序不断增长的内存需求正变得越来越昂贵和极具挑战性。

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多核架构和数据密集型应用对主存容量、带宽、和延迟的需求在不断增长。以内存容量墙为例,处理器核心数量每两年翻一番,而DRAM容量每三年翻一番。这表示每个核心拥有的内存容量每两年下降30%,对每个核心的内存带宽和延迟来说趋势更糟糕。从1999年至2017年,单DRAM芯片容量提升了128倍,而带宽和延迟仅仅分别提高了20倍和1.3倍。对于数据密集型的工作负载如内存数据库、图处理、内存计算和其他数据中心工作负载等来说,延迟已经成为了一个巨大的性能瓶颈。因此,主存容量、带宽和延迟的发展速度不能满足软件发展的新需求。

另一方面,主存的功耗问题也成为了重要的系统设计考虑。因其物理特性,DRAM即使不使用也需要定期刷新而消耗电能。随着容量和复杂度的增加,主存的功耗问题变得更加严重。2003年,在IBM设计的大型商用服务器中,约40%~50%的电能消耗在片外存储器层次结构中凹。在最近的CPU或GPU系统中,DRAM消耗了超过40%的系统总功耗。在移动设备中,系统总能耗的62.7%用于数据在CPU和内存之间移动。由于能源效率和可持续性是当今计算平台的关键需求,因此降低主存的能耗/功耗至关重要。

此外,DRAM制造工艺尺寸的扩展也遇到了极大的困难。首先,DRAM制造工艺尺寸扩展到更小会对DRAM的可靠性产生负面影响。DRAM单元将每个比特以电荷的形式存储在电容中,通过晶体管和外围电路访问电容。为了使DRAM单元正常工作,电容和晶体管(以及外围电路)都需要可靠地工作。但随着DRAM工艺尺寸的减小,电容和晶体管都变得不可靠起来,内存错误因而更加频繁地出现。例如,对Facebook数据中心服务器的研究表明,服务器故障率随着服务器中使用的芯片密度的增大而增加。其次,DRAM制造工艺尺寸的扩展会导致新的安全缺陷,如RowHammer。RowHammer现象指的是在大多数现代DRAM芯片中,重复读取同一行会破坏物理相邻行的数据。文献6指出2010年至2014年间,由三家主要供应商提供的芯片中,85%以上易受RowHammer引起的错误影响。DRAM工艺尺寸的发展还受到存储单元漏电流增加、存储单元稳定性降低以及制造工艺困难的影响。这些因素使增加DRAM的容量和减少功耗更为困难。

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