基于3D堆叠集成的DRAM缓存架构研究综述

基于 3D 堆叠集成的 DRAM 缓存架构讨论综述摘要：内存访问速度的增长远远跟不上处理器处理性能的增长，“内存墙（Memory Wall）[1]”越来越成为计算机体系结构进步的瓶颈。3D 堆叠集成技术将多层硅芯片叠加起来，使得芯片间传输延迟降低，传输带宽增加。使用 3D 堆叠技术可以将 DRAM 堆叠到多核处理器芯片上，从而使得访存速度获得提高。由于散热，功耗等问题，基于 3D 堆叠集成的 DRAM 往往不具有足够的容量来作为处理器的主存（除了一些特别的市场需求）。较为有实践意义的架构是将基于 3D 堆叠集成的 DRAM 作为最末级缓存（LLC Last Level Cache）使用。本文分析了已有的基于 3D 堆叠集成的 DRAM 缓存架构，比较了不同架构之间的优缺点，对目前该领域的讨论方向做了综述。关键词：3D 堆叠；DRAM；缓存1 引言1.1 内存墙及现代存储技术1965 年，Intel 的创始人之一，名誉主席戈登.摩尔（Gordon Moore）提出：每 18 个月，芯片上的晶体管数目就能够增加一倍。这就是著名的摩尔定律。摩尔定律的另一个更为大家熟悉的表述是：每 18 个月，CPU 的速度提高一倍。过去 40 年，通用 CPU 的速度基本按这个预测在进展。现在 CPU 的速度超过 2.8GHz，实际上还可以做到更高。但是，CPU 速度的提高并不意味着 CPU 的实际性能也有相应的提高。在过去 40 年中，CPU 核心的速度提高了近千倍，但是内存的速度提高却不大；更为关键的是，内存的延迟没有降低。这使得内存延迟已经成为了制约 CPU 实际处理能力提高的瓶颈。实际应用中，CPU 始终都在等待内存访问。当内存端口满负载时，CPU 核心有超过 50%时间是空闲的。这个问题被称为内存墙（Memory Wall）。中央处理器的速度决定了计算机运算数据及处理信息的快慢，主存储器的容量则决定了计算机可以储存信息的多寡，有些人可能还会去考虑伴随中央处理器的高速缓存(cache memory)的大小，这是因为高速缓存是用来储存一些常常使用到的信息，把这些常常用到的信息放在速度较快的高速缓存中可以使 CPU 很快的取得这些信息，而不需要再到速较慢的主存储器中去寻找，如此一来可使 CPU 处理的速度加快。图 1.1 展示了当前流行的多核处理器的多级缓存架构，每个处理核心有一级指令缓存（L1I Cache）和一级数据缓存（L1D），多个处理核心共享二级缓存（L2 Cache），所有的处理核心共享三级缓存（L3 Cache）。图 1.1 多核处理器架构的多级缓存架构基本上...