大內存系統是實現數據高時效處理的IT基礎設施關鍵部件。當前，人工智能、大數據、云計算等數字時代支柱產業的數據規模爆炸式增長，引發了內存系統的容量危機。通過融合小容量、高性能、高成本的傳統易失性DRAM內存和大容量、低性能、低成本的新型非易失性內存NVM來實現單機大內存系統，并通過高速互連網絡實現分布式內存資源的高效擴展，構建高性能異構分布式大內存系統，是解決內存容量危機的必由之路。

然而，融合異構內存器件形成大容量、高性能、低成本的內存系統尚面臨“靈活組織、高效擴展、異構兼容”三大關鍵挑戰：

1）在單節點中，內存介質異構化打破了傳統單一內存構建形式，異構內存架構難以靈活組織以高性能適配動態多樣的訪存需求；

2）在分布式環境下，內存訪問網絡化改變了傳統集中內存管理模式，分布式異構大內存難以高效擴展以滿足低延遲、高可靠、強一致的訪存需求；

3）在編程層面，內存數據持久化模式顛覆了傳統易失性內存的使用方式，異構大內存難以高效編程以實現對現有軟件生態的兼容。

解決方案

針對上述關鍵難題，項目組圍繞異構內存組織架構、分布式擴展方法和編程模式等關鍵挑戰展開研究，歷時十年攻關，構建了異構大內存系統的核心技術體系，研發了大容量、高性能、低成本的TB級單節點大內存系統和PB級分布式內存池系統，主要創新如下：

1）提出軟件定義的單節點異構大內存構建方法：揭示異構內存的訪存局部性原理，創建可組合的性能預測模型，發明軟件定義的異構內存軟硬協同架構設計方法，解決了混合多種介質的異構內存靈活組織難題，研發了可動態適配平行和層次架構的TB級異構大內存系統。相比IBM設計的異構內存系統HDRC，應用性能提高達9.6倍，性價比提升3.2倍，是當前記錄的最高水平。

2）提出分布式異構大內存的動態擴展方法：發明無中心化的分布式異構內存池架構，提出分布式高速緩存的自組織方法，設計實現分布式異構內存池的高效數據持久化和副本復制機制，突破分布式內存高效擴展難題，研發了大容量、高性能、高可靠和易擴展的PB級分布式異構內存池系統。相比谷歌設計的分布式內存組織方法CHT，寫吞吐提高2.4倍，寫延遲降低36.8%，端對端訪存延遲降低到1.5微秒的最好水平。

3）構建異構兼容的大內存高效編程環境：創建面向異構大內存的統一地址操作語義擴展方法，提出大內存的推測日志執行方法和數據語義冗余檢測消除方法，攻克異構內存系統的軟件生態零代碼移植難題，研發了大內存的數據持久化新型統一編程模型、編程庫和編譯器。相比當前唯一商用的持久內存編程庫Intel PMDK，典型大數據應用性能提升5.1倍。

圖1 基于RISC-V架構的異構內存擴展卡

圖2 異構內存服務器

圖3 異構內存池系統

技術指標