《基於STT-MRAM的三維片上多核系統快取低功耗設計方法研究》是依託北京航空航天大學，由成元慶擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於STT-MRAM的三維片上多核系統快取低功耗設計方法研究
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：成元慶
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
根據摩爾定律，電晶體集成密度約每兩年翻一番。高集成度使得功耗成為片上多核系統設計人員面臨的一大挑戰。通過三維集成技術將STT-MRAM與處理器集成在一起，可以大大降低靜態功耗。然而，STT-MRAM的寫操作是一個費時且耗能的過程，因此基於STT-RAM的片上快取架構設計需要新的低功耗設計技術降低動態功耗。本項目主要研究基於STT-RAM的片上快取的低功耗設計技術，降低動態功耗。首先，利用STT-MRAM寫能耗和溫度的依賴關係，提出利用片上溫差的三維多核處理器STT-MRAM快取寫能耗最佳化技術。然後，分別從溫度、工藝偏差和數據訪問屬性的角度出發提出了新的數據刷新技術用以降低小尺寸STT-MRAM的刷新能耗。最後，利用新興的Multi-level STT-MRAM存儲單元搭建三維片上多核系統的快取,提出了一種根據所運行的套用動態切換存儲模式的自適應配置技術，降低訪存能耗並提升訪存性能。
結題摘要
隨著大數據和雲計算的興起，應用程式對存儲容量的需求不斷增加。與此同時，片上高速快取（Cache）的容量也快速增長，以緩解“存儲牆”帶來的性能瓶頸。然而，大容量片上快取導致晶片的靜態功耗顯著增加。自旋轉移矩磁存儲器（STT-MRAM）作為一種新興存儲技術，具有讀取速度快、低功耗和非易失等特點，非常適合於替代SRAM作為片上高速快取。然而，STT-MRAM的寫入能耗顯著高於SRAM。因此如何最佳化STT-MRAM的寫能耗成為一個亟待解決的問題。 我們的研究課題主要圍繞STT-MRAM的低功耗設計技術開展研究。首先，我們研究利用片上溫差，在不同溫區施加不同的寫入電流，並最佳化片上快取數據的替換策略，以降低快取寫入能耗。實驗結果表明，我們的方案可以提升7%的性能，減少22%的寫能耗。在開展該項內容研究過程中，我們還擴展了已有的仿真工具NVSim，使其支持垂直磁各向異性STT-MRAM，提出了襯底偏壓技術補償由於溫度變化導致的讀取錯誤等。其次，第二項的研究內容進展不順利，未能達成預期目標。由於前期文獻調研不充分，漏掉重要相關文獻。該工作與一項相關工作高度重合。之後曾試圖在前人基礎上有所突破創新，但最終未能達到預期工作目標。在研究過程中，該研究內容改為研究工藝偏差和環境因素對STT-MRAM保持時間的影響，並初步取得一定研究成果。最後，第三項研究內容達到預期目標。我們提出一種多比特位的STT-MRAM存儲單元設計，利用基於“時間窗”的方法實現多比特數據的讀取。實驗結果表明，與之前存儲單元設計相比，讀能耗可以降低一半以上。在此工作的基礎上，我們又提出一種利用參考單元數據互補性的多比特存儲單元設計，並利用該存儲單元實現多模式存儲。可以根據應用程式的特點在不同存儲模式間作切換，提升訪存性能並降低系統功耗。 通過該課題的研究，我們對STT-MRAM低功耗設計技術做出了有價值的探索，說明STT-MRAM替代SRAM作為片上大容量高速快取是完全可行的，寫功耗過大的問題是可以有效解決的。
