[发明专利]一种提升STT-MRAM近似缓存能效的方法及系统

说明书

本发明公开了一种提升STT‑MRAM近似缓存能效的方法及系统，属于计算机存储技术领域。本发明包括近似编码方法，具体为，依次判断缓存行中各写入元素是否近似，将相邻且近似的元素编入同一近似元素组，依次输出各近似元素组的近似编码；所述近似编码包括近似元素组的基准值和近似元素组中各元素的近似标记位；所述基准值为一个近似元素组中最大元素与最小元素几何平均值；所述近似标记位用于标记元素的位置和近似信息，便于后续译码操作；上述编码方案可以大大减少数据写入量。此外，本发明提出了针对基准值的近似写方法，进一步减少对数据的写操作，从而大大提升近似计算应用的能效。

技术领域

本发明属于计算机存储技术领域，更具体地，涉及一种提升STT-MRAM近似缓存能效的方法及系统。

背景技术

目前，许多近似计算应用如机器学习，图像处理等广泛应用于人们的日常生活中，但是这些应用是计算密集和I/O密集的，会对计算机系统造成高的能耗。静态随机访问存储器(Static Random Access Memory，SRAM)作为缓存目前被广泛应用于计算机系统中。然而，近年来由于刷新功耗、工艺尺寸、存储密度等限制，SRAM遭受着高能耗，低密度和低扩展性的问题，逐渐无法满足当今大数据时代计算机系统对于缓存的需求。新型非易失存储器(Non-Volatile Memory，NVM)的出现为计算机缓存的发展提供了新的可能。目前新型的NVM包括相变存储器(Phase Change Memory，PCM)、自旋转移矩磁随机存储器(Spin TransferTorque Random Access Memory，STT-MRAM)、阻变式存储器(Resistive Random AccessMemory，RRAM)等。这些NVM具备低静态功耗，高密度，与CMOS兼容等优良特性，其中STT-MRAM相较于SRAM有着最为接近的读写延迟，因此，在这些NVM中，是最适合替代SRAM称为下一代的新型缓存。STT-MRAM缓存逐渐成为一种新的趋势。

STT-MRAM虽然相比SRAM具备低静态功耗，高密度，接近的读延迟等优势，但是STT-MRAM的动态写能耗较高，会降低STT-MRAM缓存的能效。图1展示了STT-MRAM的单元结构，其中磁隧道结为磁阻单元，根据磁矩方向的不同可以存储相应的值。当对磁阻单元进行写操作时，由于长的磁矩方向切换时间，导致STT-MRAM的动态写能耗较高。直接将其应用于近似计算应用中，由于这些应用的I/O密集特性，动态写能耗会被进一步放大。对于近似计算应用而言，它们存在以下特性：(1)近似计算应用是对错误容忍的，小错误对最终的结果没有较大影响。(2)用户对错误的感知是不敏感的，用户很难察觉到一些小错误。针对以上特性，通过近似计算/存储的手段，减少对数据的写入量从而降低能耗，同时由于错误容忍特性，应用输出结果的质量并不会有明显降低。

为了降低近似计算应用的能耗以及提升系统性能，一些技术用于达到这些目标。这些技术可以归纳为近似计算技术和近似存储技术。近似计算技术通过在计算过程中，进行近似的计算结果，例如对于浮点数计算，可以采用低精度的定点数进行计算，从而减少了计算复杂度，但是计算结果准确度并没有明显的降低。近似存储技术则是在数据读写的过程中，近似的将数据读出或者近似写到存储设备中。有一些技术通过近似的读写来截断STT-MRAM读写时间，从而减少读写能耗。同时，一些针对近似数据的动态刷新技术能够减少STT-MRAM的读写延迟和读写能耗。此外，一些近似编码和压缩技术利用数据的错误容忍性，减少了写入数据的大小从而可以大大降低了STT-MRAM的写能耗。这些技术虽然利用了数据的错误容忍特性，但是没有利用数据的其它特性，如图像数据的近似性等，因此其效果是有限的。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种提升STT-MRAM近似缓存能效的方法及系统，其目的在于通过新型数据近似写方法，可以有效减少STT-MRAM缓存的写能耗。

为实现上述目的，本发明提供了一种提升STT-MRAM近似缓存能效的方法，所述方法包括近似编码方法和基准高效写入方法；