CN103076849A

CN103076849A - 可重构微服务器系统

Info

Publication number: CN103076849A
Application number: CN2012105802565A
Authority: CN
Inventors: 谢向辉; 吴东; 钱磊; 原昊; 张昆; 臧春峰; 郝子宇; 张鲁飞; 李玺; 严忻凯; 邬贵明; 方兴; 叶楠; 胡苏太; 韦海亮; 周浩杰; 陶志荣
Original assignee: Wuxi Jiangnan Computing Technology Institute
Current assignee: Wuxi Jiangnan Computing Technology Institute
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2032-12-26
Also published as: CN103076849B

Abstract

一种可重构微服务器系统，包括：微处理器、系统总线、内存、可重构加速部件以及输入输出外设；其中，微处理器、内存和输入输出外设连接至系统总线，从而微处理器通过系统总线与内存和输入输出外设进行数据交换；而且，可重构加速部件连接至微处理器和/或系统总线，从而与微处理器和/或连接在系统总线上的内存和输入输出外设进行数据交换。此外，可重构加速部件可以连接独立的内存、输入输出外设和其它扩展接口。

Description

可重构微服务器系统

技术领域

本发明涉及计算技术领域，更具体地说，本发明涉及一种可重构微服务器系统。

背景技术

随着数据中心和企业级领域的服务器规模的不断增大，数据中心和大系统能效低下的问题愈发突出和严重，系统功耗无谓消耗和浪费，数据中心的功耗利用率不足10%，由此带来的总体成本问题也越发突出。有数据显示，全球每年服务器消耗的能源费用已经占到了服务器采购费用的一半。

在这样的背景下，微服务器(Micro Server)逐渐进入人们的视野，其概念的提出最早可以追溯到2009年，它是在英特尔关于云数据中心对低功耗服务器需求的基础上倡导的一种创新理念，包括英特尔、AMD、ARM在内的主要处理器厂商都推出了面向微服务器应用的低功耗处理器，HP、Dell等主要服务器厂商也相继推出了其微服务器产品。微服务器采用新型的低功耗处理器，相比传统服务器能效更高，体积更小，因此在相同尺寸的机箱内集成密度更高，目前主要用于对计算资源需求较小的独立主机、静态Web页面支持等网络服务。

目前的微服务器为了提高系统的能效和节点密度，主要采用低功耗处理器或其它低功耗小型化器件来构建系统，导致其在计算能力、存储能力、I/O能力等各方面的绝对性能低于现有的标准服务器，限制了微服务器的应用和推广。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种可重构微服务器系统结构，其中将低功耗微处理器与可重构加速部件紧密耦合来构建微服务器系统，实现对传统微服务器计算能力、存储能力、I/O（输入输出）能力的增强，形成一种全新的低功耗高性能可重构微服务器系统。

根据本发明，提供了一种可重构微服务器系统，包括：微处理器、系统总线、内存、可重构加速部件以及输入输出外设；其中，微处理器、内存和输入输出外设连接至系统总线，从而微处理器通过系统总线与内存和输入输出外设进行数据交换；而且，可重构加速部件连接至微处理器和/或系统总线，从而与微处理器和/或连接在系统总线上的内存和输入输出外设进行数据交换。

优选地，可重构加速部件采用可编程逻辑器件实现。

优选地，可重构加速部件采用FPGA实现。

优选地，可重构加速部件包括可重构运算加速模块用于通过定制专用的硬件加速计算结构，协助或取代微处理器完成相应的运算处理功能；

此外，可重构加速部件可以连接独立的内存、输入输出外设和其它扩展接口。优选地，可重构加速部件进一步直接连接至内存，并且可重构加速部件包括可重构内存扩展增强模块，用于系统内存容量和带宽的扩展，将连接在可重构加速部件的内存通过接口转换映射到系统总线上，以扩展系统的总内存容量和聚合带宽。

优选地，可重构运算加速模块是通过硬件重构所实现的硬件逻辑模块。

优选地，可重构加速部件进一步直接连接至输入输出外设。

优选地，可重构加速部件进一步直接连接至用于系统功能扩展的扩展接口。

优选地，可重构微服务器系统包括多个可重构加速部件，并且多个可重构加速部件通过扩展接口实现互连与协同；并且扩展接口还用于多个微服务器之间的互连与协同。

优选地，可重构加速部件包括：可重构内存扩展增强模块，用于系统内存容量和带宽的扩展，将连接在可重构加速部件的内存通过接口转换映射到系统总线上，以扩展系统的总内存容量和聚合带宽；并且可重构内存扩展增强模块用于增强内存访问能力，根据内存访问模式进行重构，实现相应的优化策略或加速功能，为微处理器或可重构运算加速模块提供内存访问接口。

优选地，可重构加速部件包括：可重构I/O扩展增强模块，用于实现系统I/O的扩展与增强，其中可重构I/O扩展增强模块对同一个物理接口实现多种I/O接口控制器，以支持多种I/O接口协议和设备，并且，可重构I/O扩展增强模块对系统I/O资源进行整合，而且，可重构I/O扩展增强模块还直接对I/O数据进行运算和处理，以实现离线处理、数据预处理器的功能。

本发明提出的可重构微服务器系统结构，将低功耗微处理器与可重构加速部件紧密耦合来构建微服务器系统，通过可重构运算加速模块、可重构内存扩展增强模块、可重构I/O扩展增强模块等多种功能模块，实现系统计算能力、内存能力、I/O能力等多方面扩展与增强，在保持低功耗的特点的同时，提高了微服务器的处理能力和效率，形成了一种全新的服务器形态。

附图说明

结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：

图1示出了根据本发明第一实施例的可重构微服务器系统的总体结构。

图2示出了根据本发明第二实施例的可重构微服务器系统的总体结构。

需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。

具体实施方式

为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。

随着半导体技术和计算理论的发展，一些非传统的计算形式也逐渐兴起，可重构计算就是非常重要的一类。传统计算机系统中硬件是固定的，不可改变，人们通过对运行在其硬件之上的软件进行编程来实现计算等功能，可重构计算采用FPGA（现场可编程门阵列）等可编程逻辑器件，能够通过对其硬件逻辑进行编程，改变系统中硬件的结构和功能，从而极大的提高了系统的灵活性，通过实现面向特定应用的专用硬件结构，能够极大的提高系统的总体性能和效率。同时，可重构计算所采用的FPGA等可编程器件的功耗也相对较低，如果能够与微服务器相结合，必然能够在保持低功耗的同时，极大的提高微服务器的处理能力。

由此，本发明实施例提供了一种可重构微服务器系统结构，在以低功耗微处理器为核心的微服务器体系结构下，引入了可重构加速部件，从而实现对系统计算、内存、I/O等多方面能力的扩展与增强。

<第一实施例>

具体地说，图1示出了根据本发明第一实施例的可重构微服务器系统的总体结构。

如图1所示，根据本发明第一实施例的可重构微服务器系统包括：微处理器10、系统总线100、内存20、可重构加速部件30以及输入输出外设（以下简称I/O外设）40。

其中，微处理器10、内存20和输入输出外设40连接至系统总线100，从而微处理器10通过系统总线100与内存20和输入输出外设40进行数据交换。

其中，可重构加速部件30连接至微处理器10和/或系统总线100，从而与微处理器10和/或连接在系统总线100上的内存和输入输出外设进行数据交换。此外，可重构加速部件30可以连接独立的内存、输入输出外设和其它扩展接口，这将在后面予以具体描述。

具体地说，微处理器10可直接连接至可重构加速部件30，从而通过可重构加速部件30与内存20和输入输出外设40进行数据交换、访问和控制，而且还能够访问和控制可重构加速部件里面的功能模块，例如下文将要详细描述的可重构运算加速模块31或者可重构内存扩展增强模块32等。并且/或者，可重构加速部件30连接至系统总线100，从而通过系统总线100与内存20和输入输出外设40进行数据交换。例如，I/O外设40包括但不限于硬盘、网络、USB等设备。

其中，例如，可重构加速部件30包括：可重构运算加速模块31以及可重构内存扩展增强模块32。而且，可重构加速部件30可以连接独立的内存20；更具体地说，可重构加速部件30的可重构内存扩展增强模块32可以连接独立的内存20。

具体地说，可重构微服务器系统采用低功耗的微处理器10作为通用处理核心，系统的内存20和I/O外设40（硬盘、网络、USB等）通过相应的接口控制器与系统总线100相连。微处理器10通过系统总线100访问和控制内存20和I/O外设40。由于可重构微服务器系统更加注重系统的总体效能，其配置的选择需要综合考虑应用需求、成本功耗开销、器件体积等多方面因素，构建更加平衡高效的服务器系统。

可重构微服务器系统在上述通用处理器体系结构的基础上，引入了可重构加速部件30构建系统。可重构加速部件30能够通过多条数据通路与系统耦合，首先可以通过微处理器接口直接与微处理器10通信，实现与微处理器10的紧密结合，扩展微处理器10的资源和能力，其次可以与微处理器10的系统总线100相连，通过其访问到连接在系统总线100上的内存、硬盘、网络等资源。

具体地说，其中，可重构运算加速模块31是在可重构加速部件30中通过硬件重构所实现的硬件逻辑模块，其主要功能是针对实际应用需求特点，通过定制专用的硬件加速计算结构，协助或取代微处理器10完成相应的运算处理功能，从而提高系统的运算能力，实现对处理器运算能力的增强。

可重构内存扩展增强模块32可以用于系统内存容量和带宽的扩展，它可以将连接在可重构加速部件30的独立的内存20通过接口转换映射到系统总线100上，以扩展系统的总内存容量和聚合带宽。

<第二实施例>

具体地说，图2示出了根据本发明第二实施例的可重构微服务器系统的总体结构。

具体地说，图2所示的根据本发明第二实施例的可重构微服务器系统是在图1所示的根据本发明第一实施例的可重构微服务器系统的基础上进行进一步的改进。

如图2所示，在根据本发明第二实施例的可重构微服务器系统中，可重构加速部件30还可以具有私有的外部接口，由此其不仅可以如第一实施例那样直接连接独立的内存20，而且可以直接连接独立的I/O外设40等资源，从而扩展和增强系统资源和能力。

另外，优选地，可重构加速部件30还可以直接连接至用于系统功能扩展的扩展接口50。由此，可以通过扩展接口50实现更进一步的系统功能扩展，比如连接定制扩展功能模块等。

并且，在具体实施例中，还可通过扩展接口50实现多个可重构加速部件30互连与协同，在这种情况下，可重构微服务器系统可包括多个可重构加速部件30，并且多个可重构加速部件30通过扩展接口50实现互连与协同。

可重构加速部件30采用低功耗的可编程逻辑器件（例如，FPGA）实现，能够通过硬件编程重构其硬件逻辑结构，实现多种硬件功能模块，扩展和增强系统的计算、内存、I/O等各方面能力。

其中，例如，可重构加速部件30包括：可重构运算加速模块31、可重构内存扩展增强模块32以及可重构I/O扩展增强模块33。

可重构加速部件30能够通过私有外部接口直接连接内存20，此时可以通过可重构内存扩展增强模块32实现系统内存能力的扩展与增强。一方面，可重构内存扩展增强模块32可以用于系统内存容量和带宽的扩展，它可以将连接在可重构加速部件30的内存通过接口转换映射到系统总线100上，以扩展系统的总内存容量和聚合带宽。另一方面，可重构内存扩展增强模块32可以用于增强内存访问能力，它能够根据实际应用的内存访问模式进行重构，实现相应的优化策略或加速功能，为微处理器10或可重构运算加速模块31提供更加灵活高效的内存访问接口，提高系统的内存访问效率和性能。

可重构加速部件30能够通过私有外部接口连接硬盘、网络等I/O设备，此时可以通过可重构I/O扩展增强模块33实现系统I/O的扩展与增强。首先，可重构I/O扩展增强模块33能够对同一个物理接口实现多种I/O接口控制器，从而支持多种I/O接口协议和设备，提高系统I/O接口兼容性和适应性。其次，可重构I/O扩展增强模块33能够对系统I/O资源进行整合，实现系统I/O资源的聚合、共享等功能。此外，可重构I/O扩展增强模块33还可以直接对I/O数据进行一些运算和处理，实现离线处理、数据预处理器等功能，由此可以减轻系统运算部件的负载，扩展和增强系统的I/O能力。

可重构加速部件的上述三种功能模块，可以根据实际应用需求选择和组合，重构其硬件结构，实现对传统微服务器在计算、内存、I/O等多方面能力的增强，提高微服务器的处理能力和效率。

而且，虽然在上述具体实施例中，示出了可重构加速部件30包括可重构运算加速模块31、可重构内存扩展增强模块32以及可重构I/O扩展增强模块33，从而可以通过可重构加速部件30实现增强计算、增强内存和增强IO三类功能，但是应该理解的是，在具体实现时，可重构加速部件30可能只包括可重构运算加速模块31、可重构内存扩展增强模块32以及可重构I/O扩展增强模块33中的一个或者两个，从而实现增强计算、增强内存和增强IO三类功能中的一个或者两个功能。

本发明上述实施例提出的可重构微服务器系统结构，将低功耗微处理器与可重构加速部件紧密耦合来构建微服务器系统，通过可重构运算加速模块、可重构内存扩展增强模块、可重构I/O扩展增强模块等多种功能模块，实现系统计算能力、内存能力、I/O能力等多方面扩展与增强，在保持低功耗的特点的同时，提高了微服务器的处理能力和效率，形成了一种全新的服务器形态。

此外，需要说明的是，除非特别指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种可重构微服务器系统，其特征在于包括：微处理器、系统总线、内存、可重构加速部件以及输入输出外设；

其中，微处理器、内存和输入输出外设连接至系统总线，从而微处理器通过系统总线与内存和输入输出外设进行数据交换；

而且，可重构加速部件连接至微处理器和/或系统总线，从而与微处理器和/或连接在系统总线上的内存和输入输出外设进行数据交换。

2.根据权利要求1所述的可重构微服务器系统，其特征在于，可重构加速部件采用可编程逻辑器件实现。

3.根据权利要求1或2所述的可重构微服务器系统，其特征在于，可重构加速部件包括可重构运算加速模块，用于通过定制专用的硬件加速计算结构，协助或取代微处理器完成相应的运算处理功能。

4.根据权利要求1或2所述的可重构微服务器系统，其特征在于，可重构加速部件进一步直接连接至内存，并且可重构加速部件包括可重构内存扩展增强模块，用于系统内存容量和带宽的扩展，将连接在可重构加速部件的内存通过接口转换映射到系统总线上，以扩展系统的总内存容量和聚合带宽。

5.根据权利要求3所述的可重构微服务器系统，其特征在于，可重构运算加速模块是通过硬件重构所实现的硬件逻辑模块。

6.根据权利要求1或2所述的可重构微服务器系统，其特征在于，可重构加速部件进一步直接连接至输入输出外设。

7.根据权利要求1或2所述的可重构微服务器系统，其特征在于，可重构加速部件进一步直接连接至用于系统功能扩展的扩展接口。

8.根据权利要求7所述的可重构微服务器系统，其特征在于，可重构微服务器系统包括多个可重构加速部件，并且多个可重构加速部件通过扩展接口实现互连与协同；并且扩展接口还用于多个微服务器之间的互连与协同。

9.根据权利要求1或2所述的可重构微服务器系统，其特征在于，可重构加速部件包括：可重构内存扩展增强模块，用于系统内存容量和带宽的扩展，将连接在可重构加速部件的内存通过接口转换映射到系统总线上，以扩展系统的总内存容量和聚合带宽；并且可重构内存扩展增强模块用于增强内存访问能力，根据内存访问模式进行重构，实现相应的优化策略或加速功能，为微处理器或可重构运算加速模块提供内存访问接口。

10.根据权利要求1或2所述的可重构微服务器系统，其特征在于，可重构加速部件包括：可重构I/O扩展增强模块，用于实现系统I/O的扩展与增强，其中可重构I/O扩展增强模块对同一个物理接口实现多种I/O接口控制器，以支持多种I/O接口协议和设备，并且，可重构I/O扩展增强模块对系统I/O资源进行整合，而且，可重构I/O扩展增强模块还直接对I/O数据进行运算和处理，以实现离线处理、数据预处理器的功能。