计算机主存储器发展的主要原因探讨

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。

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。