JP3995672B2 - 改良型raidメモリ・システム - Google Patents
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Description
RAIDアレイは、冗長アーキテクチャを使用することによって故障許容(fault tolerance)を実現しており、RAIDアレイを制御するディスク・コントローラは、RAIDコントローラと呼ばれる。
RAIDシステムにおいて、1つまたは複数の記憶ユニットが故障した場合でもデータへの即時アクセスを実現するために、データが複数の記憶ユニット(例えば、ディスク)に記憶される。
ストライピングは、各ドライブの記憶空間を、1セクタ(512バイト)の小さなものや数メガバイトの大きなものでよい「ストライプ」に区分する。
次に、そのようなストライプは、回転順序でインタリーブされ、それにより、結合された空間は、各ドライブからのストライプから交互に構成される。
RAIDコントローラは、様々な組の機能を提供する様々な「レベル」で定義されてきた。
ストライプ・セットの信頼性は、その最も信頼性の低い構成要素よりも低い。
RAID0は、冗長性を提供しないため、真の冗長コントローラではない。
しかしながら、並列転送技術の使用は、安価であり従って多くの低コスト・ユーザにとって魅力的な性能重視のアーキテクチャである。
ミラーリングは、複製のデータを記憶するがコンピュータには1つの記憶ユニットとして見える1対の記憶ユニット上で実施される。
1つのミラー化された記憶ユニット対の中でストライピングは使用されないが、複数のRAIDIアレイをストライピングして1つの大きなアレイを作成することができる。
RAID1は、高い信頼性を提供する。
これは、高価な手法で、一般に使用されない。
各データ・セクタが細分され、データがすべてのデータ記憶ユニットに分散され、冗長データが専用パリティ記憶ユニットに記憶される。
当業者に理解されるように、信頼性は単一の記憶ユニットよりもはるかに高い。
RAID3と同様に、冗長データが、個別のパリティ記憶ユニットに記憶される。
RAID4は、個別の記憶ユニット駆動アクチュエータの動作を「切り離し」、各ディスクに大きい方の最小量のデータを読み書きすることによって、RAID3システムの小さなファイルのランダム読み出し性能を改善する。
この機能は、高い入出力読み出し速度を可能にするが、書き込み速度はあまり速くない。
RAID4は、主に、読み出しが多くかつ高いデータ転送速度を必要としないシステムに適している。
データ・セクタは、ディスク・ストライピング・システムと同じように分散されるが、冗長情報は、RAID3やRAID4システムのような1つのパリティ記憶ユニットに記憶されるのではなく、複数のアレイ・メンバ全体にユーザ・データが分散される。
これにより、1つの専用パリティ記憶ユニットを使用するRAID4コントローラと関連した書き込みボトルネックがなくなる。
RAID5アレイは、高いデータ信頼性、高いデータ転送速度、および高い入出力速度能力を有する。
しかしながら、RAIDシステムは、ディスク・ドライブ市場から半導体メモリ市場に拡張されてきていることは既知である。
したがって、RAIDシステムは、磁気ドライブと光学ドライブだけでなくシリコン・メモリでも実現されることが知られている。
そのような従来のRAIDメモリ・システムを示すブロック図である図1を参照されたい。
また、一般に参照されるタイプのRAIDメモリは、DIMM(dual inline memory module)メモリである。
図1には、ホスト102とシステム・バス105も示されている。
ホスト102とRAIDメモリ61の間で送られる情報またはデータは、RAIDメモリ・コントローラ10を介して送られる。
RAIDメモリ・コントローラへの内部には、RAIDメモリ61内に記憶されたデータのパリティ情報を生成する論理回路がある。
図1に示したシステムの構造と動作に関する詳細は、周知であり、本明細書において説明されなくてもよい。
通信チャネル72、73および74のチャネル幅が大きくなるほど、RAIDメモリ・コントローラ10のピン数も増える。
製造コストのため、周知のように、このピン数が増えると、RAIDメモリ・コントローラ10の構成要素のコストが大幅に上昇することがある。
これは、残念ながら、階層構造のレベルの追加と、追加のチップおよびシステムの複雑さを必要とする。
この点で、本発明の実施形態は、メモリ・システムを広く対象とする。
1つの実施形態において、第1のデータ・メモリが、第1のメモリ・コントローラに結合され、第2のデータ・メモリが、第2のメモリ・コントローラに結合されている。
パリティ・メモリが、パリティ・コントローラに結合され、パリティ・コントローラが、第1のメモリ・コントローラと第2のメモリ・コントローラに直接結合されている。
パリティ・データ制御ロジックは、第1のデータ・メモリと第2のデータ・メモリの両方に記憶されたデータと関連付けられたパリティ情報を記憶し取り出すように構成されており、パリティ・データ制御ロジックは、第1のデータ・メモリに記憶されたデータと関連付けられたパリティ・データを、前記第2のデータ・メモリに記憶されたデータと関連付けられたパリティ・データと、パリティ・メモリ内でインタリーブするように構成されている。
1つの実施形態により、本発明は、独特なRAIDメモリ・システムを対象とする。
図2に示したシステムの1つの独特な態様は、システム・バス105の分割に関する。
この点において、各メモリ・コントローラD0およびD1は、システム・バス105の一部分だけに直接結合されている。
別個のチップ間バス210が、コントローラD0とD1の間の直通通信を提供する。
システム・バス105からチップD0に送られた情報は、必要に応じて、このチップ間バス210を介してチップD1に送られることがある。
図2に示し、この図に示した様々な構成要素間で情報を通信する方法を含むシステムの実施形態は、2003年7月30日に出願された「Integrated circuit with a scalable high−bandwidth architecture」と題する同時継続米国特許出願第10/630,460号に詳しく記載されている。
この点で、図3に示したシステムは、図2の実施形態に関する説明と同じように、2つのメモリ・コントローラ・チップ321および323がスプリット・システム・バス105を介してホスト102と相互通信するRAIDメモリ・システムを対象としている。
さらに、パリティ・コントローラ・チップ320が、メモリ・コントローラ・チップ321と323の間に挟まれており、チップ間通信リンク322および324を介してメモリ・コントローラ・チップ321および323と通信する。
RAIDメモリ330は、RAIDメモリ制御チップ320に結合され、様々なデータ・メモリ302、304、306および308に記憶されたデータと関連付けられたパリティ情報を記憶する。
図3に示したシステムは、2003年7月31日に出願された「Improved memory system and controller for same」と題する同時係属出願第10/632,199号により詳しく既済されている。
この同時係属出願は、参照により本明細書に組み込まれる。
図4の実施形態は、図3の実施形態と類似しているが、2つのRAIDメモリ構成要素430および432を示す。
図4の実施形態において、2つのメモリ・コントローラ421および423はそれぞれ独立に動作し、それぞれ2つのDIMMバス442、444、446および448と関連付けられている。
2つのメモリ・コントローラ421および423は、パリティ・コントローラ420と相互通信し、パリティ・コントローラ420は、DIMMバス452および454を介して2つのRAIDメモリ430および432に接続されている。
送られる情報によって、コントローラ・チップ421、423および420は、コントローラ421および423の適切な動作を促進するために、チップ間リンク422および424を介して相互通信して入ってくるデータを共用する。
この点で、423は、421が必要とする情報をシステム・バス105から得た場合、その情報を、チップ間バスとパリティ・コントローラPを介して421に送ることができる。
同様に、メモリ・コントローラ423は、その関連付けられたメモリ430および432に記憶されるデータのRAIDパリティ計算を実行し、その結果のパリティ・データを、その関連付けられたメモリ430および432に記憶するためにRAIDコントローラ420に送ることができる。
この実施形態において、コントローラ420が、2つの独立したコントローラ421および423から受け取ったRAIDパリティ情報は、メモリ430および432にインターリーブされる。
メモリ430および432内のパリティ・データ記憶のインタリービングと制御を管理するパリティ・データ制御ロジック460が提供される。
図4の実施形態は、特にRAID3メモリ・システムに適しており、ここで、結果のRAIDパリティ・データは、元のデータに含まれるバイト数の半分である。
図4の実施形態は、観測時の大文字使用から利益を得ることがあり、すなわち、ほとんどのメモリ・サブシステムにおける読み出しまたは書き込みトランザクションは、長さが2バイト以上である。
したがって、一般に、メモリ装置への読み出しまたは書き込みコマンドによって、メモリ装置内の複数のメモリ・ロケーションに対する読み出しまたは書き込みが行われる。
RAID3メモリ・システム・パリティ情報は、元のデータの長さの半分なので、パリティ・メモリに対するバースト読み出しまたは書き込みは、元のデータのバースト読み出しまたは書き込みの長さの半分である。
これにより、2つのRAID3メモリ・コントローラを1つのパリティ・コントローラで共用することが容易になる。
RAIDメモリ・コントローラPと接続した2つのDIMMバス452および454を利用することによって、メモリ402、404、406、および408に記憶された元のデータのパリティ情報をRAIDメモリ430および432に記憶することができる。
しかしながら、システムをこのように構成すると、コントローラ430がバス452と454を1つの幅広いDIMMバスとして見なすときに、421と423がパリティRAM430と432に別々にアクセスさせる難しさが生じることがある。
このジレンマの解決は、パリティ・データを、各DIMMごとではなくアドレスごとにインタリーブするようにパリティ・データ制御ロジック460を構成することにより達成することができる。
しかしながら、図4のメモリ・コントローラ421と423はそれぞれ独立に動作し、全体のメモリ・アドレス空間は、それぞれのメモリ・コントローラ・ロジック制御レジスタ(図示せず)の制御設定に基づいてDコントローラ間で分割されることがある。
しかしながら、RAIDメモリ430と432の容量が少なくとも、421と関連付けられたメモリのアドレス空間と、423と関連付けられたメモリとのアドレス空間の大きい方と同程度の大きさであることを理解されたい。
図5に、この概念を示す。
図5に示したように、エージェント・チップ102は、D0 572が所有するアドレス空間とD1 574が所有するアドレス空間を合わせたアドレス空間を有効に「認識」する。
574の大きい方のブロックで示したように、コントローラ423が、大きい方のメモリ空間を所有することが分かる。
したがって、582で示したパリティ・メモリは、コントローラ423が所有するメモリ空間574と少なくとも同じサイズである。
パリティ・データ制御ロジック460(図4)は、例えば図5のブロック582に示したように、代替421、D1、421、D1にパリティ・データをインターリーブするように動作する。
さらにパリティ・メモリ582の一番下の近くに示したように、421のメモリ空間がD1メモリ空間よりも小さい場合には、421が所有するアドレス空間に対応するパリティ情報に予約された余分なメモリ「スロット」は未使用でよい。
これと対照的に、図4の実施形態では、パリティ情報を読み書きするために、情報を読み書きするために使用されるのと同じ数のDIMMが使用される。
したがって、パリティ・メモリにパリティ情報を読み書きするためには、バースト長の半分しか必要ない。
例えば、元のデータが、128バイト転送チャンク(例えば、128バイトDMA)でアクセスされる場合、アドレスの7つのLSB(128バイト・チャンク内のデータ)は、DMA転送を管理する方法によって、どんな値でもよいことがある。
長さがわずか半分のパリティ・データは、64バイト・チャンクでアクセスされ、6つの最下位ビットはどんな値でもよい。
パリティ・データ制御ロジック460は、メモリ・ドメインのコントローラの421部分内にあるアドレスの第7ビット位置に0を挿入し、同時にトランザクションがアドレス・ドメインのコントローラの423部分内にある場合に、アドレスの第7ビット位置に1を挿入するだけで、パリティ・データをインターリーブすることができる。
このように第7ビット位置を使用してアドレス指定を管理することにより、パリティ情報がインタリーブされる。
パリティ情報をこのようにインタリーブすることによって、各メモリ・コントローラ421または423のデータ・メモリから元のデータを取り出すときに、これと対応してパリティ・データをパリティ・メモリから取り出すことができる。
この点で、実際にメモリがどのように制御されアクセスされるかの詳細は、エージェントから隠される。
エージェントは、大きいメモリ・ドメインを有する1つのコントローラと、小さい方のドメインをそれぞれ有する2つのコントローラを区別できない。
図3では、RAIDアルゴリズムは、コントローラ421および423を固定方式(lock step)で動作させ、それぞれ同一のメモリ構成を有する。
2つのコントローラは、実際には、4つのDIMMバス幅メモリ・サブシステムを備えた1つのコントローラがあるかのように動作する。
この環境で、エンド・ユーザは、5つのDIMMセット(4つのメモリと1つのパリティ)でメモリを追加または除去し、これは、ユーザによっては望ましくない場合がある。
図4に示したRAIDアルゴリズムは、固定方式の2つのコントローラを有する要件を解決し、これは、この手法の1つの利点である。
各コントローラは、完全に独立したメモリ・サブシステム、アドレス空間、アドレス・デコード設定などを有することができる。
少なくとも2つのコントローラ・サブシステムの大きい方に存在する程度のRAMをパリティ・サブシステムに有するという要件を満たす場合は、エンド・ユーザは、2つのDIMM対でメモリを追加または除去することができる。
この手法によってパリティRAMが増えるが、これにより、エンド・ユーザがRAMをより小さな増分で追加または除去できるという融通性が高まる。
パリティ・コントローラ420は、エージェント102から見えるようなアドレス空間全体にわたってアドレスを認識するようにプログラムされることがある(図5を参照)。
メモリ・コントローラ421と423は、アドレス空間の個別(かつ、場合によっては異種)の部分を制御することができる。
エージェント102は、システム・バス105を介して書き込み要求と書き込みデータを送ることがある。
各コントローラ・チップ内の一体化されたバス・ロジックは、(例えば、チップ間リンクを介して互いにデータを渡すことによって)スプリット・バス105からの書き込みトランザクションとデータを再構成する。
メモリ・コントローラ423と421はそれぞれ、各アドレス空間内にある書き込みトランザクションを請求し(例えば、制御を行う)、書き込みトランザクションによって受け取ったアドレスに書き込みコマンドを発行する。
パリティ・コントローラ420は、書き込みデータに基づいてDコントローラのどちらかに送られる書き込みトランザクションごとにパリティ・データを計算し、(前述のように)書き込みトランザクションによって受け取ったアドレス空間の第7ビットに1または0を追加し、元のデータによって必要とされるバースト長の半分の書き込みを修正済みアドレスに発行する。
パリティ・コントローラ420のこの動作によって、適切なメモリ430および432にパリティ・データが記憶される。
メモリ・コントローラ421および423は、アドレス空間の別々の部分を制御することができる。
エージェント102は、スプリット・バス105を介して読出要求を送ることができ、コントローラ・チップ内の一体化されたバス・ロジックは、スプリット・バスからの読み込みトランザクションを再構成する。
メモリ・コントローラ421と423は、各アドレス空間内にあるトランザクションを請求し、読み込みトランザクションによって受け取ったアドレスに適切な読み出しコマンドを発行する。
適切なメモリ・コントローラ423または421は、読み込みトランザクションによって受け取ったアドレスと共に読み出しコマンドをメモリ装置に発行する。
パリティ・コントローラは、アドレスの第7ビットに1または0を追加し(前述のように)、元のデータに必要なバースト長の半分を有するメモリ装置に読み出しコマンドを修正済みアドレスに発行する。
メモリ・コントローラ421および423と、パリティ・コントローラ420はそれぞれ、その各メモリ装置から読み出しデータまたはパリティ・データを受け取る。
パリティ・コントローラ420は、チップ間バス422または424を介して元の読み込みトランザクションによってターゲットとされた各Dコントローラに適切なパリティ・データを転送する。
さらに、ターゲットのDコントローラ内のパリティ制御ロジックは、パリティ・チェックと適正な動作を行い、メモリ・コントローラ・チップ421および423は、一体化されたバス・ロジックによって、訂正された読み出しデータ共にエージェント・チップ102に読み出しリターンを発行する。
しかしながら、本発明が、RAIDではないメモリ・システムにも適用可能であることを理解されたい。
また、幅広い様々な特定の機能とシステムの変形例があるので、実施形態に固有の詳細は、そのような詳細が、設計の目的およびトレードオフによって決定されることが多いので、本明細書に提供されなくてもよく、当業者が保有する技術のレベルの範囲内にある。
302,306,402,406・・・メモリ、
572・・・第1のアドレス空間、
574・・・第2のアドレス空間、
D0・・・第1のメモリ・コントローラ、
D1・・・第2のメモリ・コントローラ、
P・・・パリティ・メモリ、
Claims (9)
- ホスト集積回路(102)と、
第1のアドレス空間(572)を定義する少なくとも1つの関連付けられた第1のメモリ(302、402)を有する第1のメモリ・コントローラ(D0)と、
第2のアドレス空間(574)を定義する少なくとも1つの関連付けられた第2のメモリ(306、406)を有する第2のメモリ・コントローラ(D1)と、
前記第1と第2のメモリ・コントローラ(D0、D1)と関連付けられた前記第1および第2のメモリ(302、402、306、406)に記憶されるデータと関連付けられたパリティ情報を記憶するパリティ・メモリ(P)と、
前記パリティ・メモリにデータを記憶するコントローラであって、前記第1のメモリ・コントローラと関連付けられた前記第1のメモリ(302、402)に記憶されたデータと関連付けられたパリティ・データと、前記第2のメモリ・コントローラと関連付けられた前記第2のメモリ(306、406)に記憶されたデータと関連付けられたパリティ・データとをインターリーブ方式で記憶するように構成されたコントローラと
を具備するメモリ・システム。 - 前記メモリ・システムは、RAIDメモリ・システムである
請求項1に記載のメモリ・システム。 - 前記メモリ・システムは、RAID3メモリ・システムである
請求項1に記載のメモリ・システム。 - 前記第1および第2のメモリ・コントローラ(D0、D1)は、前記第1と第2のアドレス空間を重ならないように定義するように構成されうる
請求項1に記載のメモリ・システム。 - アドレス・ビットは、前記パリティ・メモリ内にパリティ情報を記憶し取り出すために使用される複数のアドレス・ビットに追加され、
前記追加されたアドレス・ビットは、前記第1のメモリ・コントローラと関連付けられたパリティ情報を記憶し取り出すときに第1の値に設定され、
前記追加されたアドレス・ビットは、前記第2のメモリ・コントローラと関連付けられたパリティ情報を記憶し取り出すときに、第2の値に設定される
請求項1に記載のメモリ・システム。 - 前記第1のメモリ・コントローラと関連付けられた前記第1のメモリ(302、402)と、前記第2のメモリ・コントローラと関連付けられた前記第2のメモリ(306、406)とが、異なるサイズである
請求項1に記載のメモリ・システム。 - 前記パリティ・メモリ(P)は、少なくとも、前記第1のメモリ・コントローラ(D0)と関連付けられた前記第1のメモリ(302、402)および、前記第2のメモリ・コントローラ(D1)と関連付けられた前記第2のメモリ(306、406)の大きい方と、実質的に同じ大きさである
請求項1に記載のメモリ・システム。 - 前記第1のメモリ・コントローラ(D0)と関連付けられた2つのメモリ・バス(442、444)と、
前記第2のメモリ・コントローラと関連付けられた2つのメモリ・バス(446、448)と、
2つのパリティ・メモリ・バス(452、454)と
が存在する請求項1に記載のメモリ・システム。 - 複数のメモリ・コントローラと関連付けられたパリティ情報を管理する方法であって、第1のメモリ・コントローラ(D0)に結合された第1のデータ・メモリ(302、402)に記憶されるデータと関連付けられた第1のパリティ情報を生成する段階と、
第2のメモリ・コントローラ(D1)に結合された第2のデータ・メモリ(306、406)に記憶されるデータと関連付けられた第2のパリティ情報を生成する段階と、
パリティ・コントローラ(P)に結合されたパリティ・メモリ(330、430)に前記第1と第2のパリティ情報を記憶する段階と
を有し、
前記第1と第2のパリティ情報が、前記パリティ・メモリ内にインターリーブ方式(582)で記憶される
方法。
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