Entwurf und Architektur für Racetrack basierte Hybrid Speichersysteme

• Antragsteller: Dr.-Ing. Fazal Hameed
• Fachliche Zuordnung: Rechnerarchitektur, eingebettete und massiv parallele Systeme
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 437232907

Die steigenden Anforderungen an die Speicherkapazität sowie das Streben nach hoher Leistung und geringem Energieverbrauch haben das Entwerfen von Speichersystemen extrem schwierig gemacht. Konventioneller DRAM Speicher hat seine grundlegenden und physikalischen Grenzen erreicht, was womöglich eine weitere Erhöhung der Kapazität verhindert. Der kürzlich vorgeschlagenen Spin-Orbitronics-basierte Racetrack Memory (RTM) ist eine neuartige Speichertechnologie, welche auf binäre Daten mittels nanoskaligen Magnetdrähten zugreift und schreibt und somit eine exorbitante Speicherdichte ermöglicht sowie die Fähigkeit, die Einschränkungen der Technologieskalierung zu überwinden. Trotz wichtiger technologischer Fortschritte wird die Zugriffslatenz und der Energieverbrauch von RTM stark von der Anzahl der Verschiebungsoperationen beeinflusst. Diese Operationen sind erforderlich, um die Bits an die richtigen Positionen auf dem Racetrack zu bringen. Um die Einführung von RTM zu ermöglichen, sieht dieser Proposal ein hybrides Speichersystem vordurch Kombination von RTM mit DRAM- und Spin Transfer Torque (STT)-Speichern auf verschiedenen Ebenen in der Speicherhierarchie.Das hybride Speichersystem bietet nicht nur große Chancen, sondern stellt auch große Herausforderungen bei der Verarbeitung großer Datenmengen dar. Diese Systeme müssen sich an die unterschiedlichen Speicherzugriffsmuster der Anwendung anpassen und gleichzeitig die inhärenten Grenzen der einzelnen Speicher, aus denen sie bestehen, vermeiden. Dies erfordert ein radikales Umdenken beim Entwurf des Speichersystems und die Notwendigkeit, die Datenmanagementstrategien auf Hardware- und Betriebssystemebene zu überprüfen.Das übergeordnete Ziel dieses Proposals ist es, die Grundlage für ein hocheffizientes Datenmanagement auf einem hybriden Speichersystem zu schaffen.Wir werden dieses Ziel erreichen, indem wir hardware- und betriebssystemübergreifende Optimierungen ermöglichen, so dass Anwendungen das inhärente Potenzial des geplanten hybriden Speichersystems trotz der zusätzlichen Komplexität durch Heterogenität nutzen können. Konkret werden wir uns mit dem Entwurf eines relativ neueren RTM und dessen Anpassung, dem Entwurf von RTM-Steuerungen, der Datenklassifizierung und -analyse, der Hierarchieanpassung und dem systemweiten Datenmanagement befassen. Wir werden einer Co-Design-Methodik folgen, um die Lücke zwischen Hardware- und Betriebssystemebene zu schließen. Auf der Hardwareseite werden wir die Architektur des RTMs gründlich untersuchen, um seine effiziente Integration mit anderen Speichern zu ermöglichen. Durch die Nutzung von Hardware-Performancemonitoren und intelligenten Steuerungen werden wir die verschiedenen Eigenschaften von Anwendungsdaten und Speicherverhalten vollständig beschreiben. Dies wird die Hardware und das Betriebssystem veranlassen, geeignete Entscheidungen für Datenmapping, Datenumstrukturierung, RTM-Anpassung und Hierarchieanpassung zu treffen.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Pakistan
• Gastgeber: Professor Khurram Khurshid, Ph.D.