讀取優先和SRAM-MRAM混合結構的示例分析

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MRAM因具有許多優點,有取代SRAM和DRAM的潛能。用MTJ存儲單元構建的MRAM存儲器可以用作高速緩存。然而MRAM寫入操作的長延時和較高的功耗成為其瓶頸，阻礙了其性能的進一步提高。讀取優先的寫緩存器和SRAM-MRAM混合結構這兩種策略可以提高MRAM的性能及降低其功耗。
 
讀取優先和SRAM-MRAM混合結構
直接用MRAM代替SRAM可能導致性能下降。因此提出了用兩種策略來緩解這個矛盾:一是引入讀取優先的寫入緩沖器;二是引入SRAM-MRAM混合結構。二者可以結合起來以改善MRAM高速緩存的性能。
 
讀取優先的寫入緩沖器
因為L2高速緩存從上一級存儲器和寫入緩沖器獲取命令，必須有一個優先權策略來解決讀取和寫入命令的沖突。對于MRAM高速緩存,寫入延時遠大于讀取延時,因此應防止寫入操作阻塞讀取操作。
 
提出兩條規則來確保讀取操作的優先權:
(1)讀取操作總是具有高于寫入操作的優先權。
 
(2)當寫入操作阻塞了讀取操作且寫入緩沖器未滿,在滿足特定優先條件下，讀取命令可以使當前寫入操作中止。然后讀取命令獲得執行權力。被中止的寫入操作稍后重試。用完成度α作為優先條件,完成度低于α時讀取命令不會獲取優先權。經模擬定α為50%可以滿足各種工作條件。實現這一策略需要一個計數器,當寫入開始時從O開始計數。高速緩存控制器檢查計數器然后決定是否中止當前寫入操作來執行讀取操作。與直接用MRAM取代SRAM的方案相比，這一策略消除了性能上的退步，但是功耗增加了,因為部分寫入操作需要重新執行。
 
SRAM-MRAM混合結構的L2高速緩存
研究者提出用SRAM-MRAM混合結構取代純粹的MRAM存儲器,其中SRAM只占一小部分。其主要目的是盡量使寫入操作集中到SRAM而減少了MRAM中的寫入操作數量。
 

圖1SRAM-MRAM混合結構

 
如圖1所示,研究者減少了部分MRAM,代之以sram ,并且將所有SRAM單元集中到一起在處理器層上構建了若干個完整的SRAM組。SRAM組放置在處理器層的中央而不是分散放置，這樣處理器層的面積會增加而高速緩存層的面積會減少。
 
給出了幾個混合結構的管理策略:
(1)高速緩存控制器需要知道SRAM和MRAM的位置。當出現寫入失誤時,控制器優先考慮將該數據放入SRAM。
(2)考慮到處理器反復將數據寫入某些單元的可能性,這些數據若在MRAM中需移入SRAM中。如果數據連續經歷兩次寫入操作，則這些數據需要被移入SRAM中。
(3)注意到處理器的讀取操作同樣可能引起數據的轉移,而且其次數可能大于寫入操作。因此引入一個新的數據移動策略。對于傳統的管理策略,數據會被移動到host組，而適應于混合結構的策略把數據移入SRAM中。
(4)結果顯示混合結構平均提高性能5.65% ,使平均總功耗降低了12.45%。

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