黄阳棋

(中国电子信息产业发展研究院，北京 100048)

0 引言

为满足对海量信息的高速处理需求，同时兼顾系统功耗和成本，当前信息系统中所使用的存储器已经发展出了一套由不同特性存储器组成的多级存储架构。一般而言，这一存储架构由靠近计算端的内核存储器、承上启下的主存储器，以及靠近数据端的外部存储器组成。

1 多级存储器架构

多级存储器中每一级存储器在容量、速度、价格、功耗这4个方面均有不同的取舍[1]。

内核存储器，又称为缓存(Cache)，主要使用嵌入式存储，属于中央处理器(CPU)结构中的一部分，速度在三级存储中最快但容量最小，且造价高昂、功耗也较高，只能用于存放计算过程中的临时数据。主存储器主要使用动态随机存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)，速度只有缓存的1/4，但容量是缓存的1 000倍，造价和功耗也相对内核存储更低，主要用于存储运行中的程序及数据。外部存储器早期使用机械硬盘(Hard Disk Drive，HDD)，近年来采用与非型闪存(NAND Flash)组成的固态硬盘(Solid State Disk，SSD)正在成为主流，其速度只有DRAM内存的几百分之一，但容量是内存的1 000倍以上，造价低廉，且具备非易失的低功耗特性，用于长期存储海量信息。

2 新型存储

由于内核存储器、主存储器、外部存储器之间均存在较大的读写速度差距，形成了制约整个系统性能的“存储墙”[2](见图1)。而随着处理器速度和核数的持续增长，存储墙对系统性能的限制愈发明显。同时，物联网、智能传感器、人工智能等特定应用的发展也对极低功耗的高性能存储器提出了新的产业化需求。……