主存儲器（main memory，簡稱主存）是計算機硬件系統(tǒng)的一個重要組成部分，其作用是存放指令和數(shù)據(jù)，并能由中央處理器存取。主存一邊連接中央處理器（如CPU、FPGA或GPU），另一邊連接外存儲器（SSD、HDD），是兩者之間數(shù)據(jù)流通的橋梁。主存可以由多種介質(zhì)構(gòu)成，其中動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）因其相對較低的成本和讀寫延遲，是當前構(gòu)建主存的主要介質(zhì)。由于現(xiàn)代應(yīng)用程序的輸人數(shù)據(jù)集規(guī)模不斷增大，對更高的DRAM容量和性能的需求也在不斷增加。然而，DRAM在容量增加的情況下，保持其效能比和可靠性正變得越來越困難，因此，滿足應(yīng)用程序不斷增長的內(nèi)存需求正變得越來越昂貴和極具挑戰(zhàn)性。

多核架構(gòu)和數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用對主存容量、帶寬、和延遲的需求在不斷增長。以內(nèi)存容量墻為例，處理器核心數(shù)量每兩年翻一番，而DRAM容量每三年翻一番。這表示每個核心擁有的內(nèi)存容量每兩年下降30%，對每個核心的內(nèi)存帶寬和延遲來說趨勢更糟糕。從1999年至2017年，單DRAM芯片容量提升了128倍，而帶寬和延遲僅僅分別提高了20倍和1.3倍。對于數(shù)據(jù)密集型的工作負載如內(nèi)存數(shù)據(jù)庫、圖處理、內(nèi)存計算和其他數(shù)據(jù)中心工作負載等來說，延遲已經(jīng)成為了一個巨大的性能瓶頸。因此，主存容量、帶寬和延遲的發(fā)展速度不能滿足軟件發(fā)展的新需求。

另一方面，主存的功耗問題也成為了重要的系統(tǒng)設(shè)計考慮。因其物理特性，DRAM即使不使用也需要定期刷新而消耗電能。隨著容量和復(fù)雜度的增加，主存的功耗問題變得更加嚴重。2003年，在IBM設(shè)計的大型商用服務(wù)器中，約40%~50%的電能消耗在片外存儲器層次結(jié)構(gòu)中凹。在最近的CPU或GPU系統(tǒng)中，DRAM消耗了超過40%的系統(tǒng)總功耗。在移動設(shè)備中，系統(tǒng)總能耗的62.7%用于數(shù)據(jù)在CPU和內(nèi)存之間移動。由于能源效率和可持續(xù)性是當今計算平臺的關(guān)鍵需求，因此降低主存的能耗/功耗至關(guān)重要。

此外，DRAM制造工藝尺寸的擴展也遇到了極大的困難。首先，DRAM制造工藝尺寸擴展到更小會對DRAM的可靠性產(chǎn)生負面影響。DRAM單元將每個比特以電荷的形式存儲在電容中，通過晶體管和外圍電路訪問電容。為了使DRAM單元正常工作，電容和晶體管（以及外圍電路）都需要可靠地工作。但隨著DRAM工藝尺寸的減小，電容和晶體管都變得不可靠起來，內(nèi)存錯誤因而更加頻繁地出現(xiàn)。例如，對Facebook數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的研究表明，服務(wù)器故障率隨著服務(wù)器中使用的芯片密度的增大而增加。其次，DRAM制造工藝尺寸的擴展會導(dǎo)致新的安全缺陷，如RowHammer。RowHammer現(xiàn)象指的是在大多數(shù)現(xiàn)代DRAM芯片中，重復(fù)讀取同一行會破壞物理相鄰行的數(shù)據(jù)。文獻6指出2010年至2014年間，由三家主要供應(yīng)商提供的芯片中，85%以上易受RowHammer引起的錯誤影響。DRAM工藝尺寸的發(fā)展還受到存儲單元漏電流增加、存儲單元穩(wěn)定性降低以及制造工藝困難的影響。這些因素使增加DRAM的容量和減少功耗更為困難。