MRAM因具有許多優(yōu)點，有取代SRAM和DRAM的潛能。用MTJ存儲單元構(gòu)建的MRAM存儲器可以用作高速緩存。然而MRAM寫入操作的長延時和較高的功耗成為其瓶頸，阻礙了其性能的進(jìn)一步提高。讀取優(yōu)先的寫緩存器和SRAM-MRAM混合結(jié)構(gòu)這兩種策略可以提高M(jìn)RAM的性能及降低其功耗。

讀取優(yōu)先和SRAM-MRAM混合結(jié)構(gòu)

直接用MRAM代替SRAM可能導(dǎo)致性能下降。因此提出了用兩種策略來緩解這個矛盾：一是引入讀取優(yōu)先的寫入緩沖器;二是引入SRAM-MRAM混合結(jié)構(gòu)。二者可以結(jié)合起來以改善MRAM高速緩存的性能。

讀取優(yōu)先的寫入緩沖器

因為L2高速緩存從上一級存儲器和寫入緩沖器獲取命令，必須有一個優(yōu)先權(quán)策略來解決讀取和寫入命令的沖突。對于MRAM高速緩存，寫入延時遠(yuǎn)大于讀取延時，因此應(yīng)防止寫入操作阻塞讀取操作。提出兩條規(guī)則來確保讀取操作的優(yōu)先權(quán)：

（1）讀取操作總是具有高于寫入操作的優(yōu)先權(quán)。

（2）當(dāng)寫入操作阻塞了讀取操作且寫入緩沖器未滿，在滿足特定優(yōu)先條件下，讀取命令可以使當(dāng)前寫入操作中止。然后讀取命令獲得執(zhí)行權(quán)力。被中止的寫入操作稍后重試。用完成度α作為優(yōu)先條件，完成度低于α?xí)r讀取命令不會獲取優(yōu)先權(quán)。經(jīng)模擬定α為50%可以滿足各種工作條件。實現(xiàn)這一策略需要一個計數(shù)器，當(dāng)寫入開始時從O開始計數(shù)。高速緩存控制器檢查計數(shù)器然后決定是否中止當(dāng)前寫入操作來執(zhí)行讀取操作。與直接用MRAM取代SRAM的方案相比，這一策略消除了性能上的退步，但是功耗增加了，因為部分寫入操作需要重新執(zhí)行。

SRAM-MRAM混合結(jié)構(gòu)的L2高速緩存

研究者提出用SRAM-MRAM混合結(jié)構(gòu)取代純粹的MRAM存儲器，其中SRAM只占一小部分。其主要目的是盡量使寫入操作集中到SRAM而減少了MRAM中的寫入操作數(shù)量。

圖1SRAM-MRAM混合結(jié)構(gòu)

如圖1所示，研究者減少了部分MRAM，代之以sram ，并且將所有SRAM單元集中到一起在處理器層上構(gòu)建了若干個完整的SRAM組。SRAM組放置在處理器層的中央而不是分散放置，這樣處理器層的面積會增加而高速緩存層的面積會減少。

給出了幾個混合結(jié)構(gòu)的管理策略：

（1）高速緩存控制器需要知道SRAM和MRAM的位置。當(dāng)出現(xiàn)寫入失誤時，控制器優(yōu)先考慮將該數(shù)據(jù)放入SRAM。

（2）考慮到處理器反復(fù)將數(shù)據(jù)寫入某些單元的可能性，這些數(shù)據(jù)若在MRAM中需移入SRAM中。如果數(shù)據(jù)連續(xù)經(jīng)歷兩次寫入操作，則這些數(shù)據(jù)需要被移入SRAM中。

（3）注意到處理器的讀取操作同樣可能引起數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移，而且其次數(shù)可能大于寫入操作。因此引入一個新的數(shù)據(jù)移動策略。對于傳統(tǒng)的管理策略，數(shù)據(jù)會被移動到host組，而適應(yīng)于混合結(jié)構(gòu)的策略把數(shù)據(jù)移入SRAM中。

（4）結(jié)果顯示混合結(jié)構(gòu)平均提高性能5.65% ，使平均總功耗降低了12.45%。

fqj