Compression Architecture for Bit-write Reduction in Non-volatile Memory Technologies（原文链接）。本文提出了一个基于压缩的架构，实现位写减少。位写减少有很多的好处，包括降低写延迟、降低动态功耗、提高耐受力。提出一个集成进NVM模块的架构，包括（i）一个频繁模式压缩-解压引擎；（ii）和一个比较器协同工作实现减少位写；（iii）一个投机取巧的磨损均衡方案，通过减少部分cell位反复写，平衡分布写，提高内存的耐受力。

Compression-based NVM

本文描述的压缩架构的核心思想是内存中word被一个new word重写的时候，利用一个简单的压缩方案来减少位写。目前最先进的针对这部分的研究有DCW和FNW。与DRAM不同，DRAM在每次读写操作期间，所在的整个内存行需要被写回。而在NVM中，刷新没有发生变化的位没有必要。

Write

集成了本文架构的NVM模块如何处理写请求？首先，直接集成在NVM模块中的CDE（Compression-Decompression Engine）尝试压缩写入的新数据，CDE实现了基于FPC（见上篇博客）的压缩方法。然后，当CDE尝试压缩数据的同时，NVM模块控制器读取NVM数组中目标地址的数据（旧数据）。一旦压缩完成，旧数据和新数据逐位比较找不同位，否则，直接写入未压缩数据。基于逐位比较结果，只更新写入新旧数据之间对应不同的位（差分写）。最后，系统更新压缩tag位，来表明该地址的数据是否被压缩。

Read

在读访问过程中，执行步骤和写数据相反。首先，CDE从NVM数组读取word及其对应的tag位。检查tag位确定读取的word是否被压缩，若被压缩，该word经过CDE，解压结果直接转发到处理器。否则，该word略过CDE组件，直接被转发到处理器。

Architecture

如下图所示，CDE直接集成到NVM模块，实现数据在写操作期间的无缝压缩与解压。添加额外的电路，实现新数据经过CDE，允许未压缩的数据在读操作期间绕过CDE被读取。NVM阵列也相应地修改，以支持tag位标记是否压缩和磨损均衡。NVM阵列中每个32-bit word，添加两个tag位，一个tag用于表示内存中数据是否被压缩，另一个tag用于磨损均衡技术中表示“normal”写还是“flip”写。这里的tag位带来的额外存储开销与FNW方案中一样，FNW中每16-bit要求1个tag。

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Frequent Pattern Compression(FPC)

写访问期间，CDE压缩写入的新数据时，利用基于FPC的压缩方法，首先检查word的内容，确定是否匹配FPC模式表中的某种模式，如果匹配，CDE添加相应前缀压缩编码该word。读访问期间，这个3-bit的前缀用来确定匹配的模式，CDE可以根据模式表反向解码该word。

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如下图写入新数据，对应上图模式表中001的4-bit符号扩展模式，因此新数据压缩编码为前缀+数据，即0011001，若从左往右逐位与旧数据进行比对，翻转写不同位，如图所示标红有两bit翻转写。到这里很容易考虑到一个问题，如果每次写入新数据的时候都这样操作，那么位翻转全部集中在word的左侧bit，会造成写入不均衡的问题，怎么解决？很简单，适当地从右往左写，但是这样的话，同样会有问题，对于利用FPC压缩效果不佳（大部分word压缩率不足50%）的应用，比如32-bit压缩至加上前缀共19bit，那么中间有6-bit重叠，无论从左还是从右写都一样，中间6bit都会受到磨损，这会造成word中间部分bit的重复写，最终导致word中间部分bit最先磨损。同样，若压缩效果太好的话，中间bit位无论从哪边开始写都不被磨损，会造成word的中间部分bit翻转写次数极少。

这个问题带来的影响本文没有很好地解决！！！

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Wear Leveling

针对以上磨损均衡方案，CDE和NVM阵列需要做必要的修改。

Write

每个word添加第二个“position” tag位，表示当前将数据存储到NVM阵列的哪一侧。与此同时，NVM模块添加电路，来决定压缩数据应该正常写还是翻转写，tag为0表示正常写（从左往右），tag为1表示翻转方向对称写（从右往左）。此外，如果被写入的新数据没有匹配上任何模式，即未被压缩，那么position tag位为0，因为对于未压缩数据，数据从哪一侧写都一样。

Read

读访问期间，如果数据是压缩的，CDE读取position tag位，确认数据在NVM阵列的哪一侧。如果position tag位表示数据被写入NVM word的右半部分，那么CDE读取的数据将被翻转，以将前缀恢复到正确的形式，并将数据传递给CDE对应模式表进行解压缩。

Write orientation

那依据什么来决定在NVM阵列中新数据到底是从左向右写还是从右向左写呢？
本文提出有两个方法;

  1. 利用一个写访问计数器，一旦计数器超过某一固定阈值，写访问指示器由”normal”（即position tag为0）变为”flipped“（即position tag为1），转换写方向，并且重置计数器。

    那么阈值怎么确定呢？
    本文没说阈值的设定方式，本人感觉这个阈值应该小一点磨损均衡效果会更好，相当于更加频繁地在两个方向写之间切换，阈值越小，不会导致有一个方向的写入多一轮而多出的写次数比较多。

  2. 使用翻转位写的数量来确定写的方向，实现一个更加投机取巧的磨损均衡方案。CDE中的附加电路比较新数据和旧数据，从两个方向进行比较。CDE基于这种比较，分别针对两个方向写计算出位翻转的数目，有更少位翻转的方向被选择，按该方向写入数据，同时正确设置position tag位。

但是第二种方法与其说是一种磨损均衡，似乎更像是一种翻转位写减少优化方案。同时也许可能有磨损均衡的作用，效果视数据类型而定吧。因为某些应用程序可能始终选择从左往右写，会得到更少的位翻转，这根本不能达到磨损均衡的目的。

Evaluation and Result

实验评估显示有几个负载翻转位写数量相比FNW反而增多，为什么？

实验发现，这些负载同时对应有较低的压缩率或者有很大比例的line不压缩，那么本文的方法由于增加的两个tag位也会带来额外的位翻转，可能会造成这种结果。