AEIS：一种用于MLC STT-MRAM的新型能效提升方案

《IEEE Transactions on Computers》：AEIS: A New Energy Efficiency Improvement Scheme for MLC STT-MRAM

STT-MRAM作为新型非易失存储器在缓存应用中潜力巨大，但MLC结构因两步状态转换（TTs）导致高能耗和延迟。现有扩展编码方法虽能消除TTs却未有效降低能耗。本文提出AEIS方案，通过分析扩展编码规则发现最小能耗编码方法，结合数据模式分割仅对翻转段应用编码，在消除TTs的同时将能耗降低28.5%，寿命提升24.8%，存储开销增加5.7%。

　　

摘要：

自旋转移扭矩磁随机存取存储器（STT-MRAM）作为一种新型的非易失性存储技术，具有更低的功耗和更高的存储密度，被广泛认为是可能取代SRAM作为缓存的新世代存储技术。STT-MRAM分为单层单元（SLC）STT-MRAM和多层单元（MLC）STT-MRAM两种类型。与SLC STT-MRAM相比，MLC STT-MRAM在存储密度上有了进一步的提升。然而，由于其独特的双步状态转换（TT）机制，MLC STT-MRAM的写入能耗较高且写入延迟较长。目前的一些先进方法通过扩展编码技术来消除这种问题，但这些方法主要集中在消除TT上，对于降低能耗的改进效果有限。为此，我们提出了一种新的方案AEIS，该方案在消除TT的同时还能进一步降低能耗。我们的工作首先探讨了基于(M,N)的扩展编码方法的一般规律，这些方法能够消除TT。基于这些规律，我们找到了最低能耗的编码方式。为了进一步提高能效，我们根据数据模式对缓存行进行分割，并仅对需要转换的数据段应用扩展编码，以减少编码开销。评估结果显示，AEIS能够消除MLC STT-MRAM中的TT现象，使能耗降低28.5%，同时延长设备寿命24.8%，而用于缓存的总比特数仅增加了5.7%。

引言

随着信息技术的不断发展，计算机系统需要处理越来越多的数据。然而，对大量数据的频繁计算和I/O操作对系统性能产生了显著影响[1]。缓存在整个过程中起着重要作用，因此提高缓存效率可以有效提升计算机系统的性能。然而，基于静态随机存取存储器（SRAM）的缓存面临着技术上的挑战[2]。自旋转移扭矩磁随机存取存储器（STT-MRAM）作为一种新型的非易失性存储技术，以其低功耗和高存储密度而受到广泛关注，被认为是SRAM的潜在替代品[3][4][5][6]。STT-MRAM分为单层单元（SLC）STT-MRAM和多层单元（MLC）STT-MRAM两种类型。与SLC STT-MRAM相比，MLC STT-MRAM具有更高的存储密度[7][8]。但由于其独特的状态转换机制，MLC STT-MRAM的写入延迟较长且能耗较高。STT-MRAM中有四种状态转换：零状态转换（ZT）、软域状态转换（ST）、硬域状态转换（HT）和双步状态转换（TT）[7]。这些转换在写入操作过程中消耗的能量各不相同，其中TT转换的能耗最高[7][8]。因此，TT转换显著影响了MLC STT-MRAM设备的性能。