Μοντελοποίηση και εξομοίωση των χαρακτηριστικών γήρανσης NV μνημών

• Κύριος συγγραφέας: Προδρομάκης, Αντώνιος
• Άλλοι συγγραφείς: Αντωνακόπουλος, Θεόδωρος
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2015
• Θέματα: Εξομοίωση; Γήρανση; NAND flash; PCM; Non-volatile memory (NVM); FPGA; 621.397

Τις τελευταίες δεκαετίες, η ανάπτυξη των non-volatile μνημών (NVMs) κατέστησε ικανή την αντικατάσταση volatile μνημών, όπως των DRAMs και των μαγνητικών σκληρών δίσκων (HDDs), σε caching και storage εφαρμογές, αντίστοιχα. Οι δίσκοι στερεάς κατάστασης (SSDs) που βασίζονται σε NAND Flash μνήμες έχουν ήδη αναδειχθεί ως ένα χαμηλού κόστους, υψηλής απόδοσης και αξιόπιστο μέσο στα σύγχρονα συστήματα αποθήκευσης. Επιπλέον, οι ιδιότητες των υλικών αλλαγής φάσης και η πρόσφατη κλιμάκωση της Phase-Change μνήμης (PCM), την καθιστά ένα τέλειο υποψήφιο για την ανάπτυξη μνημών τυχαίας προσπέλασης αλλαγής φάσης (PCRAMs). Η ραγδαία κλιμάκωση των NVMs, με διαδικασίες ολοκλήρωσης κάτω από 19nm, και η χρήση της multi-level cell (MLC) τεχνολογίας συνέβαλλαν στην αύξηση της πυκνότητας αποθήκευσης πληροφορίας και συνεπώς μείωσαν το κόστος αποθήκευσης δραματικά. Ωστόσο, η διάρκεια ζωής των NV μνημών δεν παρέμεινε ανεπηρέαστη. Διαφορετικές παρεμβολές και πηγές θορύβου σε συνδυασμό με την επίδραση της γήρανσης έχουν ένα μεγάλο αντίκτυπο στην αξιοπιστία και την αντοχή αυτών των τεχνολογιών μνήμης, και ως εκ τούτου, των συστημάτων αποθήκευσης στα οποία χρησιμοποιούνται (SSDs, PCRAMs). Πολλές μέθοδοι και τεχνικές, όπως η μέθοδος wear-leveling, εξειδικευμένοι κώδικες ανίχνευσης και διόρθωσης λαθών (ECC) και τεχνικές pre-coding έχουν χρησιμοποιηθεί για να αντισταθμίσουν αυτές τις επιπτώσεις, ενώ άλλες, πιο περίπλοκες μεν, αλλά και πιο αποτελεσματικές, όπως η δυναμική προσαρμογή των κατωφλίων ανάγνωσης, βρίσκονται σε πειραματικό στάδιο. Η ανάπτυξη αυτών των τεχνικών βασίζεται στον πειραματικό χαρακτηρισμό των NV μνημών, τόσο σε επίπεδο κελιού όσο και σε επίπεδο ολοκληρωμένου κυκλώματος. Ο χαρακτηρισμός αυτός σχετίζεται με την μέτρηση του λόγου του αριθμού των bit σφαλμάτων προς τον αριθμό των συνολικών bits (BER) και το χρόνο απόκρισης (ανάγνωσης και εγγραφής) καθ' όλη τη διάρκεια ζωής της μνήμης, για διάφορες μορφές δεδομένων και σενάρια χρονισμών. Η διαδικασία αυτή, μέχρι τώρα, γίνεται με τη χρήση της πραγματικής NV μνήμης, συνήθως με ολοκληρωμένα κυκλώματα που βρίσκονται στο στάδιο της προ-παραγωγής, ενώ πιο ενδελεχής έλεγχος γίνεται στο τελικό στάδιο της παραγωγής. Αυτή η προσέγγιση έχει δύο σημαντικά μειονεκτήματα. Από τη μία πλευρά, είναι μια πολύ χρονοβόρα διαδικασία, δεδομένου ότι η γήρανση μίας NVM μπορεί να απαιτεί ένα μεγάλο αριθμό από program / erase (P/E) κύκλους που πρέπει να εκτελεστούν για κάθε πείραμα. Ο αριθμός αυτός κυμαίνεται από κάποιες δεκάδες χιλιάδες (NAND Flash) έως και κάποια εκατομμύρια κύκλους (PCM). Από την άλλη πλευρά, τα χαρακτηριστικά γήρανσης μίας NVM είναι αναλόγως εξαρτώμενα από τον αριθμό των Ρ/Ε κύκλων που εκτελούνται, καθιστώντας έτσι αδύνατη την διεξαγωγή διαφορετικών ή διαδοχικών πειραμάτων στην ίδια κατάσταση γήρανσης της μνήμης. Σε αυτή την εργασία παρουσιάζουμε ένα μοντέλο που αντιπροσωπεύει με ακρίβεια τη διαδικασία γήρανσης NV μνημών, αντιμετωπίζοντας τες ως ένα χρονικά μεταβαλλόμενο κανάλι επικοινωνίας βασισμένο σε ένα μη συμμετρικό n-PAM μοντέλο. Με βάση τη μοντελοποίηση των χαρακτηριστικών γήρανσης, υλοποιούμε ένα σύστημα εξομοίωσης σε πραγματικό χρόνο και με μεγάλη ακρίβεια της συμπεριφοράς NV-μνημών, κάτω από ορισμένες από το χρήστη συνθήκες γήρανσης, σε τεχνολογία FPGA. Η πλατφόρμα που παρουσιάζεται στην παρούσα εργασία βασίζεται σε μια αναπροσαρμόσιμη αρχιτεκτονική υλικού και λογισμικού που επιτρέπει την ακριβή εξομοίωση των νέων και αναδυόμενων τεχνολογιών και μοντέλων των NVMs. Η πλατφόρμα που αναπτύχθηκε μπορεί να αποτελέσει ένα πολύτιμο εργαλείο για την ανάπτυξη και αξιολόγηση αλγορίθμων και τεχνικών κωδικοποίησης.