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在计算机体系结构中,传统DRAM主存面临严重的功耗、性能、容量以及数据可靠性等问题。新型存储技术的出现以及新型存储材料的发展,为寻找可替代DRAM的存储器带来曙光。其中相变存储器(PCM)具有较高的存储密度,较低的静态功耗和非易失性等诸多优势。但是目前PCM在读写速度、读写功耗以及寿命等方面与DRAM还有较大差距,用PCM代替DRAM作为单一主存并不能达到较好的效果。因此,由DRAM和PCM共同构成的混合结构主存应运而生,其结合两者的优势实现系统功耗和性能的优化。目前对混合结构主存的研究多数是以PCM为主导,然而这些研究中仍存在一些不足,如大容量PCM成本较高、方案实现的硬件开销较大以及复杂度较高等。合理有效的混合结构主存能够结合两种存储器的优势,克服传统DRAM主存中的难题。因此,本文主要围绕传统DRAM面临的挑战,利用新型混合结构主存对其进行研究和优化。为了对混合结构主存的功耗和性能进行评估,在分析主流体系结构模拟器的基础上,本文搭建了一种基于Gem5和DRAMSim2模拟器的联合仿真平台。首先,针对传统DRAM主存面临的刷新功耗问题,提出一种基于Refresh-Released Hybrid Memory(RRHM)的混合结构主存解决方案。通过合理划分和分配冷热页在混合结构的不同区域,使DRAM中的no refresh区域和PCM都无需刷新,有效减少刷新操作,从而降低了系统功耗。仿真结果表明,RRHM结构的总功耗平均下降了28.5%,其中刷新功耗降低了71.9%。然后,针对不同应用程序存在高低负载变化的需求,提出一种基于Power Mode Switch(PMS)的混合结构主存解决方案。通过检测内存占用率以及访存频率的高低,自适应地切换不同的功耗模式,从而降低了系统功耗。模式切换过程是后台进行,所以不会影响系统性能。仿真结果表明,PMS结构的总功耗平均下降了30.2%,其中静态功耗降低了38.2%。最后,针对多速率刷新方案中VRT/数据相关导致的数据错误问题,提出一种基于Weak/Error Row Remap(WERR)的混合结构主存解决方案。通过将DRAM中weak/error row重映射到PCM,有效解决数据错误问题。同时可以降低DRAM的刷新速率,从而达到降低功耗的目的。仿真结果表明,WERR结构的总功耗平均下降了20.3%,其中刷新功耗降低了61.6%。