SHF: Small: Architecting the COSMOS:A Combined System of Optical Phase Change Memory and Optical Links

SHF:小型:构建 COSMOS:光学相变存储器和光学链路的组合系统

基本信息

  • 批准号:
    2131127
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 50万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2021-10-01 至 2024-09-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Today’s data-intensive applications that use graph processing, machine learning or privacy-preserving paradigms demand memory sizes on the order of hundreds of GigaBytes and bandwidths on the order of TeraBytes per second. To support the ever-growing memory needs of the applications, Dynamic Random Access Memory (DRAM) systems have evolved over the decades. However, DRAM will not be able to support these large-capacity and -bandwidth demands in the future in an efficient and scalable way. While there is research on a number of alternate memory technologies (such as phase-change memory, magnetic memory, resistive memory, etc.), there is no clear winner among these technologies to replace DRAM. Moreover, none of these alternate memory technologies nor DRAM efficiently complements the silicon-photonic link technology that is expected to replace high-speed electrical links for processor-to-memory communication in the near future. This project aims to address the problems arising from limited memory capacity and bandwidth, which are significant limiting factors in application performance, through a unified network and memory system called COSMOS. COSMOS integrates Optically-controlled Phase Change Memory (OPCM) technology and silicon-photonic link technology to achieve a "one-stop-shop" solution that provides seamless high-bandwidth access from the processor to a high-density memory. The project goes beyond solely using OPCM as a DRAM replacement, and aims to demonstrate the true potential of OPCM as non-volatile memory and in processing-in-memory (PIM) design scenarios. At a broader level, the project seeks to improve the performance of many societal data-driven applications in various domains, including healthcare, scientific computing, transportation, and finance.The research goals of this project are to design the first full system architecture for COSMOS, and then demonstrate its benefits using realistic application kernels, when OPCM is used as a DRAM replacement, in an OPCM+DRAM combination with persistence properties, and in OPCM as PIM scenarios. To achieve these ambitious goals, the project is organized into the following three research thrusts and a cross-cutting thrust. Thrust 1 designs a full-system architecture using OPCM and silicon-photonic links to address the memory capacity and bandwidth requirements of data-centric applications. Thrust 2 investigates the use of COSMOS for PIM, where the stored data is processed at the speed of light. Thrust 3 aims to create mechanisms and methods for application developers and the Operating System to profile and instrument applications for making effective use of COSMOS. The Cross-cutting Thrust builds a simulation methodology to accurately evaluate the benefits of OPCM as DRAM replacement as well as for combined OPCM+DRAM and OPCM as PIM designs.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
当今使用图形处理、机器学习或隐私保护范式的数据密集型应用程序需要数百千兆字节量级的内存大小和每秒万亿字节量级的带宽。为了支持应用程序不断增长的存储器需求,动态随机存取存储器(DRAM)系统已经发展了几十年。然而,DRAM将无法在未来以高效和可扩展的方式支持这些大容量和高带宽的需求。虽然存在对许多替代存储器技术(诸如相变存储器、磁存储器、电阻存储器等)的研究,在这些取代DRAM的技术中没有明显的赢家。此外,这些替代存储器技术和DRAM都无法有效补充硅光子链路技术,该技术有望在不久的将来取代处理器到存储器通信的高速电气链路。该项目旨在通过一个名为COSMOS的统一网络和存储系统,解决因存储容量和带宽有限而产生的问题,这些问题是应用程序性能的重要限制因素。COSMOS集成了光控相变存储器(OPCM)技术和硅光子链路技术,以实现“一站式”解决方案,提供从处理器到高密度存储器的无缝高带宽访问。该项目超越了仅使用OPCM作为DRAM替代品,旨在展示OPCM作为非易失性存储器和内存处理(PIM)设计方案的真正潜力。在更广泛的层面上,该项目旨在提高医疗保健、科学计算、交通和金融等各个领域许多社会数据驱动应用的性能。该项目的研究目标是设计第一个完整的系统架构COSMOS,然后使用实际应用内核来展示其优势,当OPCM用作DRAM替代品时,在具有持久性属性的OPCM+DRAM组合中,以及在作为PIM的OPCM情形中。为了实现这些雄心勃勃的目标,该项目分为以下三个研究方向和一个交叉方向。Thrust 1设计了一个使用OPCM和硅光子链路的全系统架构,以满足以数据为中心的应用程序的内存容量和带宽要求。推力2研究了COSMOS在PIM中的使用,其中存储的数据以光速处理。Thrust 3旨在为应用程序开发人员和操作系统创建机制和方法,以分析和检测应用程序,从而有效地使用COSMOS。Cross-cutting Thrust建立了一种模拟方法,可以准确评估OPCM作为DRAM替代品以及OPCM+DRAM和OPCM组合作为PIM设计的优势。该奖项反映了NSF的法定使命,并通过使用基金会的知识价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(2)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Architecting Optically Controlled Phase Change Memory
Processing-in-Memory Using Optically-Addressed Phase Change Memory
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  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 50万
  • 项目类别:
    Standard Grant
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知道了