CN109189994B - 一种面向图计算应用的cam结构存储系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种面向图计算应用的CAM结构存储系统及方法。该系统采用多块CAM存储不同类型数据信息的形式，构成完整的CAM结构存储系统，由存储控制器MEM_CON控制其内部行为。存储系统中包含2类CAM存储器，即点信息表、边信息表，以及一块由普通RAM构成的激活节点表。存储系统为处理单元提供数据的同时，多块CAM之间可直接进行数据交互。本发明具有结构灵活、数据存取速度快、有效减少图计算应用中大量间接寻址访存带来的地址计算操作、规避具有依赖关系的LOAD操作带来的冗余数据搬移、降低访存延迟等优点，更适合存在大量随机访存的图计算应用中。
Description
技术领域
本发明涉及针对图计算应用的硬件加速器中存储结构设计领域，特别涉及一种面向图计算应用的CAM结构存储系统及方法。
背景技术
随着数据科学领域的蓬勃发展，图计算成为处理大规模具有相连关系数据的得力工具，并被广泛应用于机器学习、数据挖掘、社交媒体、电商广告推荐等应用场景。图数据结构由边和点组成，能够直观展示现实世界的任何事物信息及事物间的复杂关系，受到学术界和工业界的高度重视，诸如Pregel、GrpahLab、PowerGraph、GraphMat等图计算框架均取得了良好的应用效果。但大数据时代数据规模的不断激增，使得图计算模型对于海量边和点的处理能力受到新的挑战，而传统的通用处理器已经无法适应大规模数据下图计算应用的需求，因此针对图计算应用的专用硬件加速器应运而生。
以节点为中心(vertex-centric)的处理模型目前被广泛应用于图计算研究领域，具有易于使用、可扩展性强等优势，能够支持大多数常见图计算算法。附图1展示了该模型的处理流程，其中存在多个通过边/点编号id进行间接寻址的访存操作，且编号id的获取会产生数据依赖，进而造成高访存延迟、低算法执行效率的现象。另外，系统需存储激活节点表、每个源点所对应的第一条边的编号表、边属性表、点属性表等诸多信息。尽管已有片上存储、边表信息粗粒度化等方式可对访存进行优化，但仍无法避免大量访存地址计算和数据搬移的开销以及id间接寻址带来的访存延迟。由于图计算算法中访存操作通常占比巨大，且多为随机访存，因此访存效率将会极大影响图计算模型的整体性能。
发明内容
本发明针对上述问题进行优化，提出面向图计算应用的CAM优化存储系统及相应的访存方法。内容可寻址存储器(Content-addressable memory，CAM)是一种特殊的存储阵列。与用存储地址作为索引的RAM(Random Access Memory)不同，CAM以单元数据内容为索引进行访存，并能够在单个时钟周期完成访存操作，具有可并行查询、高速访存等优点。本发明拟将图计算算法所需存储的各类边、点信息表以CAM的形式构成高效访存系统，有效减少id寻址中大量的访存地址计算和数据搬移操作，并能够简化原模型流程，提高图计算算法执行效率。
具体而言，本发明提供了以下的技术方案：
一方面，本发明提供了一种面向图计算应用的CAM结构存储系统，所述存储系统与一个或多个处理单元相连，所述存储系统包括：多个CAM存储块，存储控制器，以及激活节点表存储块；所述多个CAM存储块包括点信息表存储块、边信息表存储块；
所述点信息表存储块用于存储图中当前存储器所涉及的全部节点信息；
所述边信息表存储块用于存储所述点信息表存储块中各节点相连的全部边信息；
所述激活节点表存储块仅存储当前迭代计算中的激活节点信息。
优选地，所述点信息表存储块中的数据单元包含三个字段：点的编号、点的属性值、以该点为源点的第一条边的编号；
优选地，所述点的编号、点的属性值、以该点为源点的第一条边的编号三个字段的地址依序由低到高排列。
优选地，所述点信息表存储块中的数据单元以点的编号字段为检索字段；
匹配成功的数据结果字段传输到处理单元中，或者作为所述边信息表存储块的输入进行数据交互。
优选地，所述边信息表存储块中的数据单元包含四个字段：边的编号、边的源点编号、边的终点编号、边的权重；
优选地，所述的边的编号、边的源点编号、边的终点编号、边的权重四个字段的地址依序由低到高排列。
优选地，所述边信息表存储块中的数据单元以边的编号字段为检索字段；
匹配成功的数据结果字段传输到处理单元中，或者作为所述点信息表存储块的输入进行数据交互。
优选地，所述激活节点表存储块仅包含激活节点编号一个字段，更为优选地，所述激活节点表存储块为普通RAM结构。
优选地，所述激活节点表存储块中，顺序访问激活节点表中各节点，激活节点编号传输至相应的处理单元，或者作为所述点信息表存储块的输入进行数据交互。
此外，本发明还提供了一种面向图计算应用的CAM结构存储方法，所述方法应用于CAM结构存储系统，所述存储系统与一个或多个处理单元相连，所述存储系统包括：多个CAM存储块，激活节点表存储块，以及存储控制器；所述多个CAM存储块包括点信息表存储块、边信息表存储块，分别用于存储点信息表、边信息表；所述激活节点表存储块用于存储激活节点表；
所述方法包括以下步骤：
步骤1、将激活节点表中的待处理激活节点编号传入点信息表存储块的比较寄存器中；
步骤2、基于所述激活节点编号，在所述点信息表存储块中检索，获得数据单元一；
步骤3、基于所述数据单元一中的第一条边的编号，在所述边信息表存储块中检索，获得数据单元二；
步骤4、基于所述数据单元二中的终点编号，在所述点信息表存储块中检索，获得数据单元三，将所述数据单元三中的属性作为终点的属性值；
步骤5、基于所述数据单元一、数据单元二、数据单元三进行处理，将结果写入点信息表存储块对应的数据单元三中，更新终点的属性值；
步骤6、访问边信息表存储块中存储的下一条边，直至所述激活节点编号对应的节点作为源节点的边全部访问完毕，该次迭代完成。
优选地，所述点信息表存储块中的数据单元包含三个字段：点的编号、点的属性值、以该点为源点的第一条边的编号。
优选地，所述点信息表存储块中的数据单元以点的编号字段为检索字段。
优选地，所述步骤2进一步包括：将检索到的数据单元一中的属性字段值一发送给处理单元作为源节点的属性值，将检索到的数据单元一中的以该点为源点的第一条边的编号字段值传入边信息表存储块的比较寄存器中。
优选地，所述边信息表存储块中的数据单元包含四个字段：边的编号、边的源点编号、边的终点编号、边的权重。
优选地，所述边信息表存储块中的数据单元以边的编号字段为检索字段。
优选地，所述步骤3进一步包括：并将检索到的数据单元二中的终点编号字段值传入点信息表存储块的比较寄存器，并将检索到的数据单元二中的边权重字段值传送给处理单元。
优选地，所述步骤5进一步包括：所述处理单元基于所述数据单元二的边权重字段值、数据单元一的属性字段值、数据单元三的属性字段值，得到所述终点编号字段对应的终点的中间属性值，并存储。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明的存储系统结构灵活、数据存取速度快，更适合图计算应用具有大量随机访存的特性；
(2)本发明的存储系统结构能够有效避免图计算应用中大量访存带来的访存地址计算操作；
(3)多个CAM之间可进行直接的数据交互，有效避免具有依赖关系的LOAD操作带来的冗余数据搬移，降低访存延迟；
(4)简化原模型的操作流程，提高图计算应用处理效率。
附图说明
图1为vertex-centric模型处理流程图；
图2为本发明实施例的CAM存储系统结构示意图；
图3为本发明实施例的点边示意图；
图4为本发明实施例的CAM存储系统信息排布示意图；
图5为本发明实施例的存储系统执行流程示意图。
具体实施例
下面将结合本发明实施例中的图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
在一个具体的实施例中，本发明提供的一种面向图计算应用的CAM结构存储系统，其具体结构可以设置成如附图2所示。采用多块CAM存储不同类型数据信息的形式，构成完整的CAM结构存储系统，由存储控制器MEM_CON控制其内部行为。存储系统为处理单元提供数据的同时，多块CAM之间可直接进行数据交互。
本实施例中的存储系统中共包含三类不同信息表，其具体结构描述如下：
(1)点信息表(Vertex CAM)
Vertex CAM每个数据单元包含三个字段，地址由低到高排列分别为点的编号Vertex id、点属性值Vproperty、以该点为源点的第一条边的编号Start_edge。Vertex CAM以Vertex id为检索字段。匹配成功的数据结果字段通过数据总线传输到相应的处理单元中，或直接作为Edge CAM的输入进行数据交互。Vertex CAM包含图中当前存储器所涉及的全部节点。
(2)边信息表(Edge CAM)
Edge CAM每个数据单元包含四个字段，地址由低到高排列分别为边的编号Edgeid、边的源点编号Src id、边的终点编号Dst id、边的权重Weight。Edge CAM以Edge id为检索字段。匹配成功的数据结果字段通过数据总线传输到相应的处理单元中，或直接作为Vertex CAM的输入进行数据交互。Edge CAM包含Vertex CAM中各节点相连的全部边。
(3)激活节点表(Active Vertex Array)
Active Vertex Array为普通RAM结构，仅包含激活节点编号Vertex id一个字段。顺序访问该表中各节点，激活节点编号通过数据总线传输到相应的处理单元中，或直接作为Vertex CAM的输入进行数据交互。Active Vertex Array中仅存储当前迭代中的激活节点。
在一个具体的实施方式中，本发明的存储系统可以通过如下的方式来具体实现：
一方面，本发明提供了一种面向图计算应用的CAM结构存储系统，所述存储系统与一个或多个处理单元相连，所述存储系统包括：多个CAM存储块，存储控制器，以及激活节点表存储块；所述多个CAM存储块包括点信息表存储块、边信息表存储块；
所述点信息表存储块用于存储图中当前存储器所涉及的全部节点信息；
所述边信息表存储块用于存储所述点信息表存储块中各节点相连的全部边信息；
所述激活节点表存储块仅存储当前迭代计算中的激活节点信息。
优选地，所述点信息表存储块中的数据单元包含三个字段：点的编号、点的属性值、以该点为源点的第一条边的编号；
优选地，所述点的编号、点的属性值、以该点为源点的第一条边的编号三个字段的地址依序由低到高排列。
优选地，所述点信息表存储块中的数据单元以点的编号字段为检索字段；
匹配成功的数据结果字段传输到处理单元中，或者作为所述边信息表存储块的输入进行数据交互。
优选地，所述边信息表存储块中的数据单元包含四个字段：边的编号、边的源点编号、边的终点编号、边的权重；
优选地，所述的边的编号、边的源点编号、边的终点编号、边的权重四个字段的地址依序由低到高排列。
优选地，所述边信息表存储块中的数据单元以边的编号字段为检索字段；
匹配成功的数据结果字段传输到处理单元中，或者作为所述点信息表存储块的输入进行数据交互。
优选地，所述激活节点表存储块仅包含激活节点编号一个字段，所述激活节点表存储块可采用普通RAM结构。
优选地，所述激活节点表存储块中，顺序访问激活节点表中各节点，激活节点编号传输至相应的处理单元，或者作为所述点信息表存储块的输入进行数据交互。
相比于传统的访存模式，本发明在该实施例中主要做出如下优化：
(1)如附图1流程图所示，传统的访存模式中，STEP2、3、4、6、7、10均需要进行LOAD操作。每次LOAD操作均为id间接寻址，需根据待访问单元编号及单元长度等信息计算存储单元偏移，并进一步结合相应信息表基址计算得出访存地址。本实施例的存储系统，各信息表置于CAM结构存储器中，可利用待访问单元编号字段作为CAM的输入检索内容，直接得到匹配成功单元的数据内容，避免了大量访存地址计算过程。
(2)如附图1流程图所示，传统的访存模式中，STEP2中LOAD得到的激活节点编号用于计算STEP3的访存地址；STEP4中LOAD得到的Edge编号用于计算STEP6的访存地址；STEP6中LOAD得到的Dst编号用于计算STEP7的访存地址。因此原模型中存在大量具有数据依赖关系的LOAD操作，并需在存储器与处理单元间反复搬移数据以进行访存地址的计算。本实施例的存储系统，不同的CAM之间可直接进行数据交互，对于有依赖关系的LOAD操作，无需进行冗余的数据搬运，同时降低访存延迟。
(3)在传统vertex-centric模型中，存储系统需保存激活节点表、源点对应的第一条边的编号表、边属性表、点属性表等多种不同信息表，因此需要存储管理的表信息冗杂。本实施例的存储系统中，CAM的存取简便性使得多个表可合并为同一个CAM，以对应的点或边编号作为检索字段，减少信息表的个数，易于管理。
此外，需要说明的是，该实施例中的存储系统，可以执行例如实施例2中所提供的访存方法，以完成图的计算过程。
实施例2
本发明根据图计算应用存在大量随机的间接寻址访存的特点，提出一种更为灵活、能够有效降低访存延迟、减少访存地址计算操作、避免冗余数据搬移的新型CAM结构存储系统。
本发明所提出的面向图计算应用的CAM结构存储系统如附图2所示。该系统中包含点信息表、边信息表这两类CAM存储器，以及一块由普通RAM构成的激活节点表。
本发明所提供的访存方法可以通过以下的方式进行，
面向图计算应用的CAM结构存储方法，所述方法应用于CAM结构存储系统，所述存储系统与一个或多个处理单元相连，所述存储系统包括：多个CAM存储块，激活节点表存储块，以及存储控制器；所述多个CAM存储块包括点信息表存储块、边信息表存储块，分别用于存储点信息表、边信息表；所述激活节点表存储块用于存储激活节点表；
所述方法包括以下步骤：
步骤1、将激活节点表中的待处理激活节点编号传入点信息表存储块的比较寄存器中；
步骤2、基于所述激活节点编号，在所述点信息表存储块中检索，获得数据单元一；
步骤3、基于所述数据单元一中的第一条边的编号，在所述边信息表存储块中检索，获得数据单元二；
步骤4、基于所述数据单元二中的终点编号，在所述点信息表存储块中检索，获得数据单元三，将所述数据单元三中的属性作为终点的属性值；
步骤5、基于所述数据单元一、数据单元二、数据单元三进行处理，将结果写入点信息表存储块对应的数据单元三中，更新终点的属性值；
步骤6、访问边信息表存储块中存储的下一条边，直至所述激活节点编号对应的节点作为源节点的边全部访问完毕，该次迭代完成。
优选地，所述点信息表存储块中的数据单元包含三个字段：点的编号、点的属性值、以该点为源点的第一条边的编号。
优选地，所述点信息表存储块中的数据单元以点的编号字段为检索字段。
优选地，所述步骤2进一步包括：将检索到的数据单元一中的属性字段值一发送给处理单元作为源节点的属性值，将检索到的数据单元一中的以该点为源点的第一条边的编号字段值传入边信息表存储块的比较寄存器中。
优选地，所述边信息表存储块中的数据单元包含四个字段：边的编号、边的源点编号、边的终点编号、边的权重。
优选地，所述边信息表存储块中的数据单元以边的编号字段为检索字段。
优选地，所述步骤3进一步包括：并将检索到的数据单元二中的终点编号字段值传入点信息表存储块的比较寄存器，并将检索到的数据单元二中的边权重字段值传送给处理单元。
优选地，所述步骤5进一步包括：所述处理单元基于所述数据单元二的边权重字段值、数据单元一的属性字段值、数据单元三的属性字段值，得到所述终点编号字段对应的终点的中间属性值，并存储。
为了更为详细地说明本发明的系统所对应的访存方法，下面用一个具体的实施例来对本发明的具体实施方式进行进一步说明。本示例的图结构如附图3所示，该图由编号为1-5的5个节点和编号为1-8的8条有向边组成。假设在某一次迭代处理过程开始前，节点与边的相应信息在CAM存储系统中的排布如附图4所示。此时共有两个激活节点(节点1和节点4)，下面对算法执行流程中CAM存储系统的相关操作进行介绍。
以处理激活节点4为例，为清晰展示数据传输过程，图中省略本示例中未涉及的数据通路。如配图5所示，具体执行步骤如下说明：
步骤501：将激活节点表中待处理的激活节点编号4传入Vertex CAM的比较寄存器中；
步骤502：Vertex CAM通过检索，第4个存储单元与比较寄存器中的编号4能够匹配，并将其中的属性字段值p4通过Data Bus传送给处理单元作为源节点的属性值、将其中以该点为源点的第一条边的编号字段值7传入Edge CAM的比较寄存器中；
步骤503：Edge CAM通过检索，第7个存储单元与比较寄存器中的编号7能够匹配，并将其中的终点编号字段值2传入Vertex CAM的比较寄存器、将其中的边权重字段值w7通过Data Bus传送给处理单元；
步骤504：Vertex CAM通过检索，第2个存储单元与比较寄存器中的编号2能够匹配，并将其中的属性字段值p2通过Data Bus传送给处理单元作为终点的属性值；
步骤505：处理单元根据步骤502、503、504存储系统向处理单元传送的边权值w7、源节点属性值p4和终点属性值p2执行处理函数，得到节点2的中间属性值p2Tmp，存于寄存器VTmpProperty中；
步骤506：处理单元对步骤505获取的节点2中间属性值p2Tmp与节点2当前属性值执行更新函数得到节点2的新属性值p2new，处理单元将该值通过Data Bus写入Vertex CAM的对应单元，更新节点2的属性值。另外值得说明的是，包括PageRank、BFS、SSSP在内的常见图计算算法均可方便地映射到vertex-centric处理模型中，并提取相应的边点处理函数和终点属性更新函数。
步骤507：访问Edge CAM中的下一条边，对比Src id可知以节点4为源点的边均已访问完毕，本次迭代结束。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种面向图计算应用的CAM结构存储系统，其特征在于，所述存储系统与一个或多个处理单元相连，所述存储系统包括：多个CAM存储块，存储控制器，以及激活节点表存储块；所述多个CAM存储块包括点信息表存储块、边信息表存储块；
所述点信息表存储块用于存储图中当前存储器所涉及的全部节点信息；
所述边信息表存储块用于存储所述点信息表存储块中各节点相连的全部边信息；
所述激活节点表存储块仅存储当前迭代计算中的激活节点信息；
所述点信息表存储块中的数据单元包含三个字段：点的编号、点的属性值、以该点为源点的第一条边的编号；所述点信息表存储块中的数据单元以点的编号字段为检索字段；匹配成功的数据结果字段传输到处理单元中，或者作为所述边信息表存储块的输入进行数据交互；
所述边信息表存储块中的数据单元包含四个字段：边的编号、边的源点编号、边的终点编号、边的权重；所述边信息表存储块中的数据单元以边的编号字段为检索字段；匹配成功的数据结果字段传输到处理单元中，或者作为所述点信息表存储块的输入进行数据交互；
所述激活节点表存储块仅包含激活节点编号一个字段；所述激活节点表存储块中，顺序访问激活节点表中各节点，激活节点编号传输至相应的处理单元，或者作为所述点信息表存储块的输入进行数据交互。
2.根据权利要求1所述的存储系统，其特征在于，
所述点的编号、点的属性值、以该点为源点的第一条边的编号三个字段的地址依序由低到高排列。
3.根据权利要求1所述的存储系统，其特征在于，
所述的边的编号、边的源点编号、边的终点编号、边的权重四个字段的地址依序由低到高排列。
4.根据权利要求1所述的存储系统，其特征在于，所述激活节点表存储块为RAM结构。
5.一种面向图计算应用的CAM结构存储方法，其特征在于，所述方法应用于CAM结构存储系统，所述存储系统与一个或多个处理单元相连，所述存储系统包括：多个CAM存储块，激活节点表存储块，以及存储控制器；所述多个CAM存储块包括点信息表存储块、边信息表存储块，分别用于存储点信息表、边信息表；所述激活节点表存储块用于存储激活节点表；
所述点信息表存储块中的数据单元包含三个字段：点的编号、点的属性值、以该点为源点的第一条边的编号；所述边信息表存储块中的数据单元包含四个字段：边的编号、边的源点编号、边的终点编号、边的权重；
所述方法包括以下步骤：
步骤1、将激活节点表中的待处理激活节点编号传入点信息表存储块的比较寄存器中；
步骤2、基于所述激活节点编号，在所述点信息表存储块中检索，获得数据单元一；
步骤3、基于所述数据单元一中的第一条边的编号，在所述边信息表存储块中检索，获得数据单元二；
步骤4、基于所述数据单元二中的终点编号，在所述点信息表存储块中检索，获得数据单元三，将所述数据单元三中的属性作为终点的属性值；
步骤5、基于所述数据单元一、数据单元二、数据单元三进行处理，将结果写入点信息表存储块对应的数据单元三中，更新终点的属性值；
步骤6、访问边信息表存储块中存储的下一条边，直至所述激活节点编号对应的节点作为源节点的边全部访问完毕，将中间属性值写入点信息表存储块对应的数据单元一中，该次迭代完成。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述点信息表存储块中的数据单元以点的编号字段为检索字段。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤2进一步包括：将检索到的数据单元一中的属性字段值一发送给处理单元作为源节点的属性值，将检索到的数据单元一中的以该点为源点的第一条边的编号字段值传入边信息表存储块的比较寄存器中。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述边信息表存储块中的数据单元以边的编号字段为检索字段。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤3进一步包括：并将检索到的数据单元二中的终点编号字段值传入点信息表存储块的比较寄存器，并将检索到的数据单元二中的边权重字段值传送给处理单元。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤5进一步包括：所述处理单元基于所述数据单元二的边权重字段值、数据单元一的属性字段值、数据单元三的属性字段值，得到所述终点编号字段对应的终点的中间属性值，并存储。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 100095 room 135, 1st floor, building 15, Chuangke Town, Wenquan Town, Haidian District, Beijing Applicant after: Beijing Zhongke Ruixin Technology Group Co.,Ltd. Address before: 1 wensong Road, Zhongguancun environmental protection park, Beiqing Road, Haidian District, Beijing 100095 Applicant before: SMARTCORE (BEIJING) Co.,Ltd. |
|
| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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