前言

新型非易失存儲(chǔ)器正在逐漸成熟，有望在未來(lái)成為工作存儲(chǔ)器。然而，在工業(yè)實(shí)踐中，我們發(fā)現(xiàn)一些非易失存儲(chǔ)器，包含阻變隨機(jī)存儲(chǔ)器（RRAM）、相變隨機(jī)存儲(chǔ)器（PCM）和閃存（Flash）等在使用時(shí)會(huì)面臨使用耐久性有限的問(wèn)題，即對(duì)于一個(gè)地址的寫(xiě)入次數(shù)是有限的，而實(shí)際對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，往往會(huì)很頻繁的訪問(wèn)部分地址，一旦存儲(chǔ)器任何部分的寫(xiě)入次數(shù)超過(guò)了耐久極限，整個(gè)器件就會(huì)被認(rèn)為無(wú)法工作。

因此，需要設(shè)計(jì)一些算法使得能對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)器做均衡的訪問(wèn)，而不是僅僅去對(duì)幾個(gè)特定的區(qū)域持續(xù)寫(xiě)入，將對(duì)某些塊的操作分布到整片存儲(chǔ)器上，實(shí)現(xiàn)各塊寫(xiě)入的平衡，這類(lèi)算法就稱(chēng)為損耗均衡（wear leveling）算法。

硬件損耗均衡算法簡(jiǎn)介

硬件損耗均衡算法大致可以分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)損耗均衡。

動(dòng)態(tài)損耗均衡：這些算法通過(guò)重復(fù)使用擦除次數(shù)較少的塊來(lái)實(shí)現(xiàn)損耗平衡[1]。即當(dāng)下寫(xiě)入地址的被寫(xiě)入量超過(guò)規(guī)定的閾值時(shí)就讓其與一個(gè)認(rèn)為的寫(xiě)入次數(shù)不大的地址做交換。然而對(duì)于原本就存在于那些被寫(xiě)入次數(shù)不多的地址里面的數(shù)據(jù)，不做移動(dòng)。

靜態(tài)損耗均衡：與動(dòng)態(tài)相反，靜態(tài)損耗均衡算法試圖通過(guò)整個(gè)物理地址的移動(dòng)，從而促進(jìn)損耗的更均勻分布。

與動(dòng)態(tài)方法相比靜態(tài)方法優(yōu)勢(shì)在于空間開(kāi)銷(xiāo)小，不需要考慮具體程序的動(dòng)態(tài)運(yùn)行也能達(dá)到延長(zhǎng)存儲(chǔ)器壽命的目的，但正因?yàn)橛诖遂o態(tài)的方法不能充分的挖掘存儲(chǔ)器的生命潛力。

而動(dòng)態(tài)方法借助記錄每個(gè)地址被寫(xiě)入的次數(shù)、建立地址映射表、定期清理垃圾數(shù)據(jù)等方式，雖然存儲(chǔ)開(kāi)銷(xiāo)相比靜態(tài)方法增加了但可以獲得更好地延長(zhǎng)存儲(chǔ)器壽命的結(jié)果。當(dāng)然最好的均衡損耗算法一定是根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景去相應(yīng)調(diào)整的，沒(méi)有最好的算法只有最適合的算法。

下面將先介紹一些靜態(tài)損耗均衡算法：

1.?基于 PCM 存儲(chǔ)器的 Start-Gap 算法

借助兩個(gè)寄存器 Start、Gap 以及一個(gè)緩存區(qū)，周期性將每一行（包括很多個(gè)地址，具體怎么劃分依照設(shè)計(jì)者的需求決定）移動(dòng)到其相鄰的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)損耗均衡。實(shí)質(zhì)上就是建立了一個(gè)代數(shù)關(guān)系，完成邏輯地址到物理地址的映射。

Gap 記錄緩存區(qū)的物理地址，Start 記錄的是所有塊均移動(dòng)一次的次數(shù)。每當(dāng)寫(xiě)入次數(shù)達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)，通過(guò) Gap 存儲(chǔ)的地址指引，將緩存區(qū)（圖中紅色塊）不斷向前移動(dòng)，當(dāng)緩存區(qū)到達(dá)第一塊時(shí)，下一次就移動(dòng)到最后一塊，如此循環(huán)。具體每一次移動(dòng)操作為（如圖1）：

圖1：在一個(gè)包含16行的存儲(chǔ)器上進(jìn)行Start-Gap算法

邏輯地址（LA——logical address）與物理地址（PA——physical address）間的代數(shù)關(guān)系為：（N等于內(nèi)存中不包含緩沖區(qū)的行數(shù)）

由于 CPU 在訪問(wèn)寄存器時(shí)，無(wú)論是存取數(shù)據(jù)還是存取指令，都趨于聚集在一片區(qū)域——局部性原理，可以看出僅依靠這樣相鄰位的移動(dòng)，會(huì)將一個(gè)大量寫(xiě)入的行移動(dòng)到另一個(gè)大量寫(xiě)入的行，這可能導(dǎo)致早期的磨損。

于是引入靜態(tài)地址隨機(jī)化，將原本連續(xù)的地址重映射為彼此間隔很大的新地址。

實(shí)現(xiàn)靜態(tài)隨機(jī)化處理可以借助隨機(jī)可逆的二進(jìn)制矩陣（Random Invertible Binary Matrix），如圖2，RIB 內(nèi)部的元素由0，1隨機(jī)序列，當(dāng)邏輯地址與該矩陣相乘后，可以使得原本連續(xù)的 LA 值分散開(kāi)。

圖2：4位地址隨機(jī)化

綜上所述，完整的 Start-Gap 算法框架如圖3：

圖3：Start-Gap架構(gòu)

2.基于 RRAM 為主存儲(chǔ)器的細(xì)顆粒度均衡

與上面介紹的 Start-Gap 算法思路比較相似，Start-Gap 算法是每到一個(gè)寫(xiě)入閾值執(zhí)行一個(gè)行的數(shù)據(jù)遷移，而細(xì)顆粒度則是以時(shí)間為周期，每一周期將所有的地址均遷移一次，移動(dòng)間隔為一個(gè)隨機(jī)數(shù)，每一周期生成一個(gè)新的隨機(jī)數(shù)。所謂細(xì)顆粒，意思就是均衡的對(duì)象是具體到每一個(gè)地址而不是將一些地址集合在一起視為一個(gè)整體來(lái)做處理。

3.?基于 Flash 的 SW Leveler 算法

考慮 Flash 在更新數(shù)據(jù)時(shí)需要寫(xiě)入另一個(gè)地址，將原地址標(biāo)記為無(wú)效（垃圾），需要擦除后才能繼續(xù)寫(xiě)入。算法設(shè)計(jì)的目的就是讓存儲(chǔ)器的各個(gè)地址擦除次數(shù)分布均勻。

具體為：觸發(fā)清潔器對(duì)選定的區(qū)塊進(jìn)行垃圾收集，讓 SW 均衡器與塊擦除表(BET，建立的目的是記住哪個(gè)塊在預(yù)定的時(shí)間范圍內(nèi)被擦除，以便找到冷數(shù)據(jù)的地址。)相關(guān)聯(lián)，以記住在選定的時(shí)間段內(nèi)哪個(gè)塊被擦除了。

當(dāng) SW 均衡器運(yùn)行時(shí)，它要么重置 BET，要么撿起一個(gè)至今未被擦除的塊（基于BET信息），并觸發(fā)清潔器對(duì)該塊進(jìn)行垃圾收集。區(qū)塊的選擇過(guò)程必須在有限的時(shí)間內(nèi)以有效的方式完成。每當(dāng)一個(gè)區(qū)塊被擦除時(shí)，BET 同步更新。

4.?基于 Flash 的 Rejuvenator 算法

Rejuvenator 的基本原則為防止區(qū)塊更快地達(dá)到其使用壽命，并使它們保持年輕，即保持區(qū)塊寫(xiě)入次數(shù)不會(huì)很多。只有在 Flash 寫(xiě)入次數(shù)達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)才會(huì)積極地平衡，以此來(lái)最大限度地減少搬移冷數(shù)據(jù)（不經(jīng)常被訪問(wèn)但是需要長(zhǎng)期保存的數(shù)據(jù)）的開(kāi)銷(xiāo)，可用于大容量?Flash?的擴(kuò)展。

根據(jù)區(qū)塊當(dāng)前的擦除次數(shù)將其分為不同的組。

Rejuvenator 維護(hù)一個(gè)列表，將熱數(shù)據(jù)（經(jīng)常別訪問(wèn)的數(shù)據(jù)）放在編號(hào)較低的區(qū)塊中，將冷數(shù)據(jù)放在編號(hào)較高的區(qū)塊中。集群的范圍被限制在一個(gè)閾值內(nèi)。這個(gè)閾值是根據(jù)區(qū)塊的擦除次數(shù)來(lái)調(diào)整的。

每個(gè)區(qū)塊可以有三種類(lèi)型的頁(yè)面：有效頁(yè)面、無(wú)效頁(yè)面和清潔頁(yè)面。有效頁(yè)包含有效的或活的數(shù)據(jù)。無(wú)效頁(yè)包含不再有效的數(shù)據(jù)。清潔頁(yè)不包含任何數(shù)據(jù)。

當(dāng)一個(gè)寫(xiě)入操作到來(lái)時(shí)，如果該邏輯地址有一個(gè)現(xiàn)有的映射（映射的物理塊中的相應(yīng)頁(yè)面將是空閑或無(wú)效的）。數(shù)據(jù)將被寫(xiě)入映射的物理塊中的相應(yīng)頁(yè)面。如果沒(méi)有與 LBA 相關(guān)的塊映射，它將被寫(xiě)到屬于較高編號(hào)列表的一個(gè)干凈的塊中。

此外還有一些已被提出來(lái)并且獲得了不錯(cuò)效果的動(dòng)態(tài)損耗均衡算法：

1.?基于硬件損耗均衡的 Flash 控制器

將 Flash 中的塊分為三類(lèi)，空閑塊，有效塊和垃圾塊。空閑塊指的是尚未被使用，可以直接寫(xiě)入新數(shù)據(jù)的塊。有效塊指的是該塊中存放著有效數(shù)據(jù)，該塊的地址已存在與地址映射表（記錄物理地址和邏輯地址映射關(guān)系的表格）中，存放的數(shù)據(jù)為最新寫(xiě)入的正確的數(shù)據(jù)。垃圾塊指該塊中存放的數(shù)據(jù)已經(jīng)無(wú)效，之前對(duì)應(yīng)該塊的地址已經(jīng)被映射到新的物理地址。

動(dòng)態(tài)損耗均衡主要關(guān)注的是保證每次寫(xiě)操作都會(huì)寫(xiě)入到Flash中擦除（每次對(duì)一個(gè)塊寫(xiě)入時(shí)需要先將原有的數(shù)據(jù)擦除掉才能寫(xiě)入）次數(shù)最小的空閑塊中，從而避免某些塊被擦寫(xiě)過(guò)多。

具體過(guò)程為：寫(xiě)操作到來(lái)時(shí)，在空閑塊中找出擦除次數(shù)最小的塊，將其物理地址與收到的邏輯地址相對(duì)應(yīng)，并存放在地址映射表中，同時(shí)將該邏輯地址原來(lái)對(duì)應(yīng)的物理地址塊標(biāo)記為垃圾塊，最后就將需要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)寫(xiě)入到新的物理地址塊中。

2.基于PCM的雙重布隆濾波器（DLBF）算法

上面介紹的基于?Flash?算法中提及了空閑塊、有效塊和垃圾塊的概念，與之相近的有冷地址和熱地址的概念，顧名思義，熱是指該地址被頻繁訪問(wèn)，冷地址定義與之相反。

DLBF 算法借用 Bloom Filter（一種空間效率很高的隨機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它利用位數(shù)組很簡(jiǎn)潔地表示一個(gè)集合，并能判斷一個(gè)元素是否屬于這個(gè)集合。）來(lái)識(shí)別讀、寫(xiě)熱頁(yè)。

將布隆濾波器映射得到的布隆表的每一位擴(kuò)展為一個(gè)計(jì)數(shù)器就能記錄每個(gè)地址被寫(xiě)入的次數(shù)從而能根據(jù)閾值（閾值是會(huì)隨著時(shí)間改變的以此來(lái)提高識(shí)別的正確率）與計(jì)數(shù)器記錄的數(shù)據(jù)大小來(lái)判斷該地址是否為熱地址。以此來(lái)建立一個(gè)候選表（記錄現(xiàn)有的冷頁(yè)），每次寫(xiě)操作到來(lái)時(shí)，先判斷這個(gè)地址是否已經(jīng)存在于地址映射表中，如果不在則先更新布隆表，然后判斷該地址是否為需要做交換的熱地址，如果是則將它與候選表中的冷地址做交換并更新地址映射表，如果不是熱地址則執(zhí)行正常的寫(xiě)操作即可。

3.基于年齡的PCM損耗均衡算法

算法的核心思想也是令熱地址與冷地址交換。但不需要維護(hù)一個(gè)候選表而是通過(guò)一個(gè)指針始終指向沒(méi)有被檢測(cè)到的所有頁(yè)面中最前的那個(gè)。總的來(lái)說(shuō)就是利用指針的均勻移動(dòng)使得所有地址都可以被均勻地使用，指針就像一個(gè)領(lǐng)隊(duì)員帶領(lǐng)著每一個(gè)寫(xiě)入請(qǐng)求命令去到合適的地方。

4.基于PCM的動(dòng)態(tài)損耗均衡算法

同樣借助于布隆濾波器，根據(jù) EV（電子伏特）和寫(xiě)入數(shù)量來(lái)選擇要交換的數(shù)據(jù)。動(dòng)態(tài)管理布隆濾波器來(lái)提高所使用的濾波器的有效性（即通過(guò)動(dòng)態(tài)更新寫(xiě)數(shù)來(lái)避免計(jì)數(shù)器溢出），判斷地址是否為熱的閾值yes1動(dòng)態(tài)變化的。

采用一種動(dòng)態(tài)的冷熱列表（HCL）管理方法，試圖在 HCL 中保留盡可能長(zhǎng)的熱邏輯地址（因此，減少交換開(kāi)銷(xiāo)），同時(shí)從列表中刪除冷地址。

除此之外相關(guān)研究人員還從其他方向提出了實(shí)現(xiàn)損耗均衡的方法，例如：用新的緩存替換策略使回寫(xiě)最小化以及避免不必要的寫(xiě)，只寫(xiě)實(shí)際改變的位單元[9]。通過(guò)在選擇替換頁(yè)時(shí)，優(yōu)先選擇一個(gè)未被修改過(guò)的頁(yè)面進(jìn)行替換。盡可能讓頻繁修改的頁(yè)面長(zhǎng)期保持在緩存中。方案中避免非必要的寫(xiě)操作策略通過(guò)分頁(yè)技術(shù)和“讀—寫(xiě)—讀”存儲(chǔ)頁(yè)差異識(shí)別方法實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于上面動(dòng)態(tài)損耗均衡算法中提及的垃圾數(shù)據(jù)處理，也有人提出了以最小化清理成本的損耗算法——CAT（cost?age?times）算法[10]，將 memory 細(xì)分為固定大小的塊。每一段有一個(gè) segment header 來(lái)描述塊信息，該信息被用來(lái)加快清潔器加快選擇段進(jìn)行清潔，當(dāng)所有空閑段的數(shù)量低于一定閾值時(shí)，清潔器開(kāi)始工作，在清理時(shí)，被清理段中的有效冷數(shù)據(jù)被遷移至專(zhuān)門(mén)存放冷數(shù)據(jù)的段中。同理有效熱數(shù)據(jù)被遷移至專(zhuān)門(mén)存放熱數(shù)據(jù)的段。這樣分別聚集，清理這些熱數(shù)據(jù)可以將遷移成本降到最低，因?yàn)楸粡?fù)制的有效數(shù)據(jù)量最少，而回收的垃圾量最大。CAT 算法的基本思想是最小化清理成本，給剛清理過(guò)的段更多時(shí)間來(lái)積累垃圾，以避免無(wú)用的遷移。

包括廣泛使用的布隆濾波器，關(guān)于它也有很多衍生的算法，例如在管理計(jì)數(shù)器時(shí)，因?yàn)椴煌刂窌?huì)公用一個(gè)計(jì)數(shù)器，那么如果每次都將一個(gè)地址對(duì)應(yīng)的所有計(jì)數(shù)器值都加一，這樣會(huì)增加將冷地址誤判為熱地址的概率。為了解決這個(gè)問(wèn)題，除了動(dòng)態(tài)調(diào)整判斷閾值，還可以令每次只有值最小的計(jì)數(shù)器加一。

識(shí)別冷熱地址的方式其實(shí)很簡(jiǎn)單，就把地址被訪問(wèn)的次數(shù)記錄下來(lái)即可，問(wèn)題就在于我們無(wú)法事先得知誰(shuí)會(huì)是熱地址，所以在給每個(gè)地址分配計(jì)數(shù)器時(shí)預(yù)留的空間都必須按照熱地址的寫(xiě)入次數(shù)賦予，但實(shí)際上熱地址所占整個(gè)地址的比例不會(huì)很大，這樣就會(huì)造成很大的空間資源浪費(fèi)，而往往我們需要集成密度大的電路這樣的存儲(chǔ)開(kāi)銷(xiāo)是有些不合理的，所以才產(chǎn)生了各種各樣以減少存儲(chǔ)開(kāi)銷(xiāo)的算法。

總結(jié)

總的來(lái)說(shuō)，損耗均衡算法都是通過(guò)各種方式在寫(xiě)入操作會(huì)集中在一些地址的情況下通過(guò)監(jiān)督地址的寫(xiě)入情況或者直接在物理地址層面進(jìn)行額外的數(shù)據(jù)遷移的方式來(lái)使得經(jīng)常被訪問(wèn)的地址塊的損耗分擔(dān)到那些不怎么經(jīng)常被訪問(wèn)的塊。

均衡損耗算法雖然不能提升存儲(chǔ)器實(shí)際的壽命，但可以提高存儲(chǔ)器實(shí)際使用壽命，對(duì)于存儲(chǔ)器的應(yīng)用具有很大的意義。

需要提醒的是本文著重于介紹各個(gè)算法的設(shè)計(jì)思路，沒(méi)有具體提及、分析其功耗，時(shí)間、空間復(fù)雜度，實(shí)際電路所占面積等，而這些在實(shí)際的整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)中同樣是重要的。誠(chéng)然我們要實(shí)現(xiàn)一些功能總是會(huì)以其他功能受到影響為代價(jià)，比如加入了均衡損耗模塊會(huì)使得寫(xiě)操作的延時(shí)增加，降低了 CPU 訪問(wèn)存儲(chǔ)器的速度但是延長(zhǎng)了存儲(chǔ)器的壽命，所以還是回到介紹各個(gè)算法前說(shuō)的，最好的算法一定是根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景去設(shè)計(jì)、調(diào)整的。??

審核編輯：劉清