这篇文档属于类型a，即报告了一项原创性研究。以下是对该研究的学术报告：
主要作者及研究机构
该研究由Qingsong Zhu、Qiang Cao和Jie Yao共同完成，分别来自华中科技大学武汉光电国家实验室和华中科技大学计算机科学与技术学院。研究论文发表于2023年的“Design, Automation & Test in Europe Conference (DATE 2023)”会议上。
学术背景
研究领域为计算机存储系统，特别是非易失性内存（Non-Volatile Memory, NVM）与固态硬盘（Solid-State Drive, SSD）的混合存储架构。传统存储架构通常将NVM作为一级快速存储，SSD作为二级存储，但这种分层架构存在NVM过度使用和SSD带宽利用不足的问题。NVM和SSD在I/O特性上具有互补性，NVM擅长处理小规模I/O操作，而SSD在大规模I/O操作中表现更优。因此，研究旨在设计一种超快速混合存储系统，充分利用NVM和SSD的各自优势，以提升存储系统的整体性能。
研究目标
研究提出了UHS（Ultra-fast Hybrid Storage），一种并行整合NVM和SSD的混合存储系统，旨在通过静态地址映射、动态NVM缓冲、I/O亲和性写入分配和多线程I/O模型等关键技术，最大化NVM和SSD的性能潜力。
研究流程
1. 静态地址映射
UHS为上层应用（如文件系统或键值存储）提供了一个统一的块级存储视图，将全局块空间显式划分为NVM区域和SSD区域。NVM区域主要用于存储元数据，而SSD区域则用于存储文件数据。这种静态映射避免了运行时行为预测的开销和不准确性。
动态NVM缓冲
UHS设计了一个细粒度的请求级NVM缓冲，用于在运行时动态吸收小规模文件写入，并在后台将这些数据迁移到SSD。为了减少缓冲检查的开销，UHS采用了基于哈希的缓冲索引机制，并设计了快速迁移和崩溃恢复机制，以充分利用NVM缓冲。
I/O亲和性写入分配
UHS通过I/O亲和性写入分配和基于哈希的缓冲索引，权衡了NVM缓冲的写入增益和读取成本。这种设计使得UHS能够在小规模写入中充分利用NVM的性能优势，同时避免大规模写入对NVM的过度依赖。
多线程I/O模型
UHS设计了一种多线程I/O模型，以充分利用NVM和SSD的并行性。NVM的并行性有限，特别是在写入操作中，其性能在4个线程时达到峰值。UHS通过固定4个I/O线程的线程池，适配NVM的有限并行性，同时允许用户线程并行执行SSD I/O操作，以充分利用SSD的高并行性。
迁移机制
UHS在轻负载或段空间耗尽时，将NVM缓冲中的数据迁移到SSD。迁移过程中，UHS使用RCU（Read-Copy-Update）列表组织键值对，确保并发读写和迁移的正确性。
崩溃一致性和恢复
UHS通过同步更新DDR和NVM缓冲中的段信息（SI），确保系统崩溃或断电时的一致性。在恢复时，UHS通过扫描NVM上的所有SI，恢复NVM缓冲的状态。
主要结果
1. 性能提升
实验表明，UHS在多种工作负载下的性能显著优于SSD、NVM、Bcache-Writeback（代表性分层存储）和Device-Mapper（最先进的混合存储），分别提升了8倍、1.5倍、3.5倍和6倍。
NVM缓冲的优势
UHS的NVM缓冲显著提升了小规模写入的性能，特别是在4KB写入操作中，SSD区域的写入吞吐量比SSD高1.5至3倍。
并行性优化
UHS的多线程I/O模型充分利用了NVM和SSD的并行性，特别是在大规模写入操作中，UHS的写入吞吐量接近NVM和SSD带宽的总和。
迁移效率
UHS的迁移机制在轻负载下高效地将NVM缓冲中的数据迁移到SSD，同时避免了频繁迁移对系统性能的影响。
结论
UHS通过并行整合NVM和SSD，提出了一种超快速混合存储系统，显著提升了存储系统的性能。其静态地址映射、动态NVM缓冲、I/O亲和性写入分配和多线程I/O模型等关键技术，充分利用了NVM和SSD的各自优势，为上层应用提供了高效的存储支持。
研究亮点
1. 性能显著提升：UHS在多种工作负载下的性能显著优于现有存储系统。
2. 动态NVM缓冲：通过动态NVM缓冲和快速迁移机制，UHS在小规模写入中表现出色。
3. 并行性优化：多线程I/O模型充分利用了NVM和SSD的并行性，提升了大规模写入的性能。
4. 崩溃一致性：UHS通过同步更新和恢复机制，确保了系统崩溃时的一致性。
研究意义
UHS为混合存储系统的设计提供了新的思路，特别是在NVM和SSD的并行利用方面。其技术不仅具有重要的学术价值，还为实际应用中的高性能存储系统提供了可行的解决方案。