CN102025766A - 自主存储器架构 - Google Patents

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Abstract

在分布式存储器子系统中的自主存储器装置可以接收从主机控制器下载的数据库。自主存储器装置可以传递配置路由选择信息并启动指令以使用接口将数据库的部分散布到邻近晶片，该接口处理晶片间通信。信息之后从自主存储器池中被提取并通过主机接口传递到主机控制器。

Description

自主存储器架构
技术领域
本发明涉及存储器领域。
背景技术
并行分布式系统的一个问题是怎样分配和管理存储器资源。存储器一般使用共用总线连接到主机处理器，其中适当的协议被应用以实现一致性和连贯性。在该策略中，在处理器核心上的存储器控制器硬件可以观测公共总线上的通信量，之后更新或禁用缓存线路以反映由其它处理器执行的操作。多节点多处理器系统还可以使用“基于目录的”一致性技术以允许处理器节点查看与它们在其上工作的页或缓存线路相关的存储器通信量。这些策略变得更加妨碍性能，需要在分布式系统中的改进。
发明内容
考虑到现有技术中的上述问题，第一方面，本发明提供了一种用于主机与分布式存储器子系统操作的方法，该方法包括：将数据库以及关于如何组织该数据库的信息从所述主机传送到所述存储器子系统；使用在所述存储器子系统的自主存储器中的硬件基元来处理存储器内容；将算法从所述主机下载到所述存储器子系统以用于处理所述数据库中的信息；以及将高级别的命令通过所述主机广播到所述存储器子系统，而不是提供特定命令和地址到所述自主存储器，从而执行高级别的功能。
第二方面，本发明提供了一种操作存储器子系统的方法，该方法包括：将数据库以及关于如何组织该数据库的信息从主机传送到所述存储器子系统；将高级别的命令广播到所述存储器子系统；以及在位于所述存储器子系统中的第一自主存储器和第二自主存储器中同时执行高级别的命令，其结果在与在所述存储器子系统中操作的多个装置无关的一时间内被确定。
第三方面，本发明提供了一种操作分布式存储器子系统中的自主存储器的方法，该方法包括：存储通过主机接口从主机下载的数据库；动态地确定在所述分布式存储器子系统中的多个晶片的配置；对操作进行解析并将所述操作发出到所述分布式存储器子系统中的多个晶片以被自主地执行；以及当所述操作完成时，收集结果并报告给所述主机。
第四方面，本发明提供了一种连接分布式存储器子系统中的自主存储器装置的方法，该方法包括：在主机接口处接收从主机控制器下载的数据库；以及启动使用接口散播到邻近晶片的指令，以处理在自主存储器池内的片间通信端口。
附图说明
本发明的主题被特别指出并在说明书的结束部分明确地声明。然而，本发明的有关结构和操作方法以及本发明的目标、特征和优点将在参阅附图时参照以下详细描述而被最好地理解，其中：
图1示出了根据本发明的允许处理器与配置在分布式子系统中的多个自主存储器装置进行通信的架构；
图2是使得分布式子系统成为可能的自主存储器装置的简化框图；以及
图3示出了根据本发明的自主存储器装置的一个实施方式。
可以理解，为了示出的简明和清楚，在图中示出的元件不必要按照尺寸画出。例如，为了清楚，一些元件的尺寸可以相对于其它元件被放大。此外，在认为合适时，附图标记可以在图之间重复以指示相应或相似的元件。
具体实施方式
在以下详细描述中，许多具体细节被提出以提供本发明的全面理解。然而，本领域技术人员可以理解，本发明可以在没有这些具体细节的情况下被实施。在其它情况下，公知的方法、程序、组件和电路没有被详细描述以不使得本发明晦涩。
术语“耦合”和“连接”以及它们的派生词可以被使用。应当理解，这些术语相互之间不是同义的。而是，在特定实施方式中，“连接”可以被用于指示两个或多个元件相互之间有直接物理接触或电接触。“耦合”可以用于指示两个或多个元件相互之间直接或间接(在元件之间具有其它中间元件)的物理接触或电接触，和/或两个或多个元件相互合作或交互(例如，在因果关系中)。
在图1中示出的实施方式示出了根据本发明的使得处理器和多个自主存储器装置102被配置为在分布式子系统10中进行通信的架构。为了便于大量装置之间的通信，在分布式子系统10中的每个自主存储器装置102被分配了自己的地址。这给予了每个自主存储器装置102将消息传送到子系统中的其它装置的能力。虽然图示出了在3×3阵列的自主存储器装置，但分布式子系统10中可以被配置为在网络中具有更多的装置。
在一个实施方式中，寻址方案可以是绝对的，其中每个自主存储器装置102被分配有唯一的静态地址，该静态地址由到自主存储器装置的路由确定，例如，存储器装置可以被指定为在装置的特定端口上并电连接至根装置(rootdevice)的端口。在可替换实施方式中，自主存储器装置的地址可以在系统中运行时被动态确定。通过允许地址被动态地确定，寻址方案可以在系统操作期间为了优化而被修改。
在系统启动时，网络可以通过传输路由选择信息来初始化以允许内部装置通信发生。可替换地，该系统可以自组织为自主存储器装置102通过使用扫描技术确定邻居来建立路由选择表。路由选择表追踪(keep track of)分布式子系统10内的装置，并可以存储例如基于与另一装置对话的任一装置的位置的延迟代价的参数。
在连接分布式自主存储器装置102的总线上传递的消息可以被模式化(model)或可以是标准网络。一个这样的标准网络可以是传输控制协议/网际协议(TCP/IP)，负责验证数据从一个装置到另一个装置的正确传送。TCP/IP还提供对检测错误或丢失数据的支持，可以触发重新传输直到数据被验证为正确并完全被接收。分布式子系统10可以使用的另一种类型的网络是无限宽带(InfiniBand)架构，该无限宽带架构可以创建一种允许低延迟通信、高带宽群集以及存储通信量的结构。而且，在自主存储器装置102之间的通信可以使用在基于帧的网络中的以太网。
图1示出了可以被连接到自主存储器装置102的不同存储器类型。作为示例，该自主存储器的每个节点可以具有NAND、DRAM或其它所连接的易失性/非易失性的结合以用于“离线”存储或便笺式存储器空间。在图中还示出了无线架构实施方式，该实施方式示出了耦合到用于传送无线信号的天线的存储器装置102。天线可以是近场环形天线、电容板或双极天线，天线允许与存储器装置相关的无线电以对存储器阵列进行编程并通过使用无线电通信信号进行通信来下载算法和数据库。配置路由选择表跟踪存储器装置以便于在分布式子系统10内的装置之间的通信。
该图示出了在控制块与被示出为在存储器子系统中的自主存储器装置102的晶片(die)之间的无线连接。在该实施方式中，控制块监视并对在各个块的通信量中的拥塞作出反应。总线通信量是可以约束系统性能的资源的一个方面。为了减轻性能约束，监视器块可以将数据库的各部分移到不同的晶片以使得搜索并行化或全面利用计算资源。这样，监视器块监视被约束的资源来优化系统性能，总线通信量仅仅是可以通过存储器装置102之间的数据重置来优化的资源的一个示例。
在该实施方式中，晶片到晶片的无线通信可以使用天线，该天线物理上被定位以仅与在相同堆栈中的其它晶片进行通信。为了实现片间(inter-die)的无线通信，每个自主存储器装置102可以具有在输入端上用于接收信号的天线以及在输出端上用于发送信号的天线。无线通信将最小化对于接合线的需要。
图2示出了自主存储器装置102的简化块图，所述自主存储器装置102包括计算节点和加速硬件来提供对存储在存储器中的内容的计算和处理。分布式子系统10包括多个自主存储器装置102，每个装置处理使用片间通信端口204、206、208以及210与邻近的晶片的通信。这些片间通信路径允许大的晶片池(可能是在分布式子系统10中的数千的晶片)之间的自主通信。
自主存储器装置102包括操作系统和处理能力，能够意识到其内容的意思。另一方面，装置102意识到特定数据库表被定位在哪里、用于每个所述表的字段定义以及它们怎样被互相链接的细节。通过使用该信息，自主存储器装置102独立地处理在所存储的数据库中的数据以得到可以被返回到主机处理器的结果。
图3示出了根据本发明的用于自主存储器装置102的功能块的一个实施方式。自主存储器装置包括提供控制功能的智能存储器处理引擎302以及用于启用应用模型的处理加速304，该应用模型涉及在智能存储器内的计算和存储器密集操作。通用控制引擎306是微控制器，该微控制器除了其它功能还接收下载的终端用户固件或软件以控制其它存储器装置。控制引擎306启动在自主存储器的池内的指令并从池中提取信息，该信息可以通过主机接口320被传递到主机控制器。协议和算法允许装置之间的判优(arbitration)、在装置之间传递路由信息以及被运行以优化池的级别的算法。
硬件加速器308给智能存储器处理引擎304提供用于对存储在存储器318内的内容进行计算和处理的加速硬件。硬件加速器308能够处理矩阵操作、与屏蔽位的简单比较、存储器复制和移动等。代码存储块310存储通过主机接口320从主机处理器下载的代码以由通用控制引擎306使用。应用编程接口(API)管理块312执行由库或操作系统服务提供的所存储的路由和协议以支持应用的建立。软件API是灵活的并利用对基础的硬件的认知来实现最佳性能。配置路由选择表314追踪在分布式子系统10内的其它存储器装置。当自主存储器装置102在系统内操作时，分布式子系统10的配置可以被动态地确定并升级路由表。
通常将数据结构存储在平坦式存储器空间中。当存在无穷个的可能的数据结构时，诸如矩阵和链接列表的一些通用结构可以被用于示出自主存储器怎样被用于增强存储器功能。矩阵覆盖宽范围的领域，包括由基础的2D或3D几何学的各种问题而产生的，例如结构工程学、计算流体动力学、模型归约、半导体装置、热力学、材料学、声学、计算机图形/视觉、机器人学/运动学以及其它。矩阵还可以覆盖一般不具有所述几何学的应用，例如优化、电路仿真、经济学和金融建模、理论和量子化学、化学过程仿真、数学和统计学、电力网以及其它网络和图。
在处理存储在矩阵中的信息时，矩阵的全部或部分从存储器318中被读取，并由硬件加速器308对矩阵的内容执行计算。在现有技术的系统中，矩阵的大部分从主存储器中获得，并被分页存储在处理器缓存中。这些矩阵涉及迭代计算并可以涉及全部矩阵，所以现有技术的系统不能将处理所需的全部内容存储到处理器缓存中。
然而，自主存储器装置102显著地改善了执行矩阵算法的效率。自主存储器装置102可以使用平坦式存储器映射来存储矩阵，并利用存储器318和嵌入式硬件加速器308的紧密耦合来大大加速对这些矩阵的操作。矩阵计算还可以通过明断地组织分布式子系统10内的矩阵以促进高性能矩阵操作来被增强。作为示例，在操作中通常共享的操作数可以被计划以有利地位于相同的自主存储器装置102中，以使得这些操作的完成不需要与其它装置的通信。
通常在平坦式存储器映射中创建链接列表来启用对所命令的信息集合的存储和处理。在遍历(traverse)链接列表时，通常需要检查每个记录来确定其是否匹配一种模式或者需要简单地获得对随后记录的指针。通过使用分布式子系统10，可以解析具有主机总线通信量的最小值的链接列表。然后，每个自主存储器装置102可以检查寻找特定模式的每个记录，并在重复之前找到对下一个记录的指针。一旦找到结果，则自主存储器装置102使用主机接口320来将相关结果返回到主机。
数据库通常包括大量的数据集合，该数据集合以相间链接表的群组被组织。索引文件被创建和保持，并被用来加速在这些表中搜索信息。在现有技术的系统中，一些数据库大于可用于对数据库进行操作的处理器的附近的存储器，且存储器访问的有效部分可以具有调用门系统性能的长的延迟IO。
与现有技术的系统相比，分布式子系统10可以具有被配置为相互之间通信和与主机通信的大量的自主存储器装置102。在分布式子系统10中找到的存储器密度可以主要由存储器的成本的限制。此外，使用嵌入在与存储器318相同的晶片上的控制引擎306，大多数操作将包括到存储器晶片内部的总线通信量和到存储器晶片外部的有限通信量。假设通用控制引擎306和大密度存储器318紧密耦合，可以消除由处理器访问外部存储器导致的带宽瓶颈。在硬件加速器308中的简单的硬件加速技术可以被用于动态地提升分布式子系统10的性能。
使用为处理存储器内容的特定目的而设计的分布式子系统10，可以实施有限集的有用硬件基元。为了在分布式子系统10中执行数据库，数据库的全部或部分与关于如何组织数据库的信息一起被传送到存储器子系统。还可以下载用于处理数据库中的信息的算法。初始化过程完成后，主机将非常高级别的命令生成到分布式子系统10。主机处理器没有读取和写入特定地址以执行较高级别的功能，而是发出命令，例如“解析表A以找到匹配模式的所有记录，为这些记录的每个记录提取对表B的指针，返回来自表A的字段a、b、c以及来自表B的字段d和e”。所有操作在分布式子系统10内被运行，结果的短列表被返回到主机处理器。
自主存储器在线性搜索在大的数据库上被执行的情况下具有完全的优势。通过示例的方式，通过使用用于具有包括8层的2M页面(每页64B)的1GB存储密度的一个自主存储器装置102的流水线技术，一个页面可以以10纳秒(nsec)每页的拍频差率(beat rate)与目标模式进行比较，导致了对于1GB晶片的搜索时间为大约20mS。当这是自身的印象深刻的结果时，价值是该解决方案是可升级的，因此，对于两个自主存储器装置102(每个具有1GB的存储密度)的搜索时间也将是大约20mS，对于拍它(peta)字节的存储器或者任意大小的存储器池的搜索时间都是一样的。使用在分布式子系统10中的自主存储器装置102来执行线性搜索将受存储器装置102阵列的成本以及热管理和功率约束的限制。
系统管理功能还可以利用在分布式子系统10中的自主存储器装置102。例如，数据中心可以在分布式子系统10上执行病毒扫描，当检测到病毒时，数据中心将被“停机”20mS，在该时间内搜索和摧毁算法将在每个字节上被执行以隔离和禁止目标病毒的任何出现。
在分布式子系统10中的自主存储器装置102在执行“散播/聚集”操作时比现有技术的系统更有优势。“散播/聚集”操作提供了在不同地址的一连串的写入，该写入被编译到由存储器或IO子系统执行的单一综合指令。这些操作被解析并被发出到分布式子系统10中的多个晶片，在该晶片，操作被自主执行。当全部操作完成时，最终状态被收集并被报告给主机。
在分布式子系统10中的自主存储器装置102对于诸如图像处理的应用的一些类别是理想的。这些类别很好地适用于并行计算，在并行计算中，图像可以被划分成许多较小的图像块，该图像块被相对独立地处理。对这些小图像块的计算完成之后，可以执行对这些图像块的集合的进一步的计算以形成更大的图像块，直到图像在包括整个图像的级别上被处理。
通过使用自主存储器装置102，这些低级别的计算的许多或全部可以在自主存储器的存储体(bank)的级别并行地完成。跨越存储体界限的计算可以在一个装置内完成，并通过利用片间通信，较高级别的计算可以在子系统级别完成。其它并行计算任务遵循相似模型，并且可以包括迭代来改善结果的精度或随时间进入仿真。
分布式子系统10提供除期望读取和写入操作外的由存储器存储装置启用的交互。自主存储器装置102使用一个或多个接口与已有的计算基础设施进行交互，所述一个或多个接口允许与主机计算机和网络的通信。从主机计算机的角度来看，交互可以是存储器或块接口，但是对于自主存储器装置102，提供了柔性的接口，在接口顶部可以建立软件API。这些API可以向主机系统暴露功能，或者在其它自主存储器装置之间提供传递请求的方式。
到分布式子系统10中的其它装置的自主存储器装置102的接口提供了传递包含命令和参数列表的消息的方式。参数可以包含实际数据、涉及阵列中的数据的寻址信息以及标注位于阵列中的对象的对象标识符。参数还可以包含或涉及对在给定数据集上操作所需的代码的地址或对象标识(对象ID)。传递到自主存储器装置102的代码可以符合由OpenCL标准建立的范例，可能是MapReduce(映射规约)。已有的群集和“云计算”基础结构片中的许多可以在分布式子系统10中再使用。
在分布式子系统10中的存储器控制器或自主存储器装置102可以执行条件监控来确定由于存储器装置之间的数据传输的总线活动。基于所监控的结果，资源的再配置可以被动态执行以改善系统性能。通过示例的方式，在监控分布式子系统10内的通信量之后，可以确定的是，高带宽通信量通常在两个存储器装置之间发生。如果这些存储器装置不是邻近的装置，则子系统可以选择这些存储器装置中的一者并重新部署其它存储器装置的内容以允许单个自主存储器装置102提供完成算法的处理。可替换地，相对较远的装置的存储器内容可以被再分布到附近的节点来降低总线通信量。
此外，分布式子系统10对只读内容的搜索可以使得网络的子集持续地活动。在这样情况下，子系统可以复制在网络的部分中的内容以使得多个自主存储器装置102可以在分布式子系统10内执行对只读内容的并行操作。
现在，应当明显的是，本发明的实施方式允许通过自主数据存储的增强的存储器存储效率。通过连接在分布式存储器子系统中的自主存储器装置，主机可以将数据库下载到自主存储器装置。自主存储器装置可以启动指令来使用接口将数据库的部分分散到邻近的晶片，从而处理在自主存储器池内的片间通信。自主存储器装置之后可以从自主存储器池中提取通过主机接口传递到主机控制器的信息。
虽然本发明的特定特征在这里被示出和描述，但许多修改、替换、改变以及等同对于本领域技术人员来说可以存在。因此，应当理解的是，所附权利要求可以覆盖落入本发明的实质中的所有修改和改变。

Claims (20)

1.一种用于主机与分布式存储器子系统操作的方法，该方法包括：
将数据库以及关于如何组织该数据库的信息从所述主机传送到所述存储器子系统；
使用在所述存储器子系统的自主存储器中的硬件基元来处理存储器内容；
将算法从所述主机下载到所述存储器子系统以用于处理所述数据库中的信息；以及
将高级别的命令通过所述主机广播到所述存储器子系统，而不是提供特定命令和地址到所述自主存储器，从而执行高级别的功能。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述自主存储器使用该自主存储器自己的操作系统。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述主机将唯一静态地址分配到由到自主存储器的路由所确定的该自主存储器。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，当所述存储器子系统操作时，所述主机动态地确定所述自主存储器装置的地址。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述自主存储器使用扫描技术建立路由选择表以追踪所述存储器子系统内的其它装置。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述自主存储器基于与另一个自主存储器通信的自主存储器的位置来存储延迟代价。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，搜索和摧毁算法在所述存储器子系统中的每个自主存储器上同时执行以隔离和禁止目标病毒的任何出现。
8.一种操作存储器子系统的方法，该方法包括：
将数据库以及关于如何组织该数据库的信息从主机传送到所述存储器子系统；
将高级别的命令广播到所述存储器子系统；以及
在位于所述存储器子系统中的第一自主存储器和第二自主存储器中同时执行高级别的命令，其结果在与在所述存储器子系统中操作的多个装置无关的一时间内被确定。
9.根据权利要求8所述的操作存储器子系统的方法，其中，所述第一自主存储器使用用于与所述主机进行通信的第一接口和用于与所述存储器子系统中的第二自主存储器进行通信的第二接口进行交互。
10.根据权利要求8所述的操作存储器子系统的方法，其中，用于与所述第二自主存储器进行通信的第二接口包括柔性接口，在该柔性接口的顶部建立软件应用编程接口。
11.根据权利要求8所述的操作存储器子系统的方法，其中，用于与所述存储器子系统中的第二自主存储器进行通信的第二接口包括包含命令和参数列表的传递消息。
12.根据权利要求11所述的操作存储器子系统的方法，其中，所述传递消息还包括传递数据、涉及所述第二自主存储器的阵列中的数据的寻址信息以及标记位于所述阵列中的对象的对象标识符。
13.一种操作分布式存储器子系统中的自主存储器的方法，该方法包括：
存储通过主机接口从主机下载的数据库；
动态地确定在所述分布式存储器子系统中的多个晶片的配置；
对操作进行解析并将所述操作发出到所述分布式存储器子系统中的多个晶片以被自主地执行；以及
当所述操作完成时，收集结果并报告给所述主机。
14.根据权利要求13所述的操作自主存储器的方法，该方法还包括：
执行由库提供的所存储的路由以支持建立应用。
15.根据权利要求13所述的操作自主存储器的方法，该方法还包括：
使用加速硬件以用于对存储在所述自主存储器中的内容的计算和处理。
16.根据权利要求13所述的操作自主存储器的方法，该方法还包括：
跟踪在所述分布式存储器子系统中的多个晶片之间的数据库表的位置以独立地处理在所存储的数据库中的数据从而将结果返回到所述主机。
17.一种连接分布式存储器子系统中的自主存储器装置的方法，该方法包括：
在主机接口处接收从主机控制器下载的数据库；以及
启动使用接口散播到邻近晶片的指令，以处理在自主存储器池内的片间通信端口。
18.根据权利要求17所述的方法，该方法还包括：
从所述自主存储器池中提取通过所述主机接口传递到所述主机控制器的信息。
19.根据权利要求17所述的方法，该方法还包括：
接收从所述主机控制器下载的软件，该软件允许所述自主存储器装置控制在所述自主存储器池中通信的其它存储器装置。
20.根据权利要求17所述的方法，该方法还包括：
传递在所述自主存储器池中的路由选择信息。
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