一種基于新材料的外接的計算機加速設(shè)備的制作方法
【專利摘要】一種基于ReRAM(阻變存儲材料)的外接的計算機加速設(shè)備，包含主控芯片及ReRAM模塊，具備USB接口（USB3.0以上）來連接計算機，在阻變存儲器中為計算機創(chuàng)建緩存文件，緩存系統(tǒng)與應(yīng)用程序的常用文件以及預(yù)讀頻繁讀寫的零散文件，作為高速緩存。同時，設(shè)備驅(qū)動還對USB協(xié)議進行改善，對于傳統(tǒng)的USB接口協(xié)議中的BOT協(xié)議進行優(yōu)化，并在USB傳輸協(xié)議上做資源分配優(yōu)化。設(shè)備的算法與架構(gòu)還采用如下設(shè)計：1.對系統(tǒng)內(nèi)存提供智能壓縮與后臺自動釋放；2.通過對用戶習(xí)慣進行長期監(jiān)測，判斷出系統(tǒng)即將使用的數(shù)據(jù)，預(yù)存在設(shè)備中；3.多通道模式，陣列模組集成多塊ReRam芯片并采用多通道主控；4.設(shè)備將應(yīng)用程序進行虛擬化處理，從而預(yù)存所有程序文件與程序所需系統(tǒng)環(huán)境文件在設(shè)備中。
【專利說明】一種基于新材料的外接的計算機加速設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]該產(chǎn)品屬于計算機設(shè)備領(lǐng)域。是一種基于新材料與新架構(gòu)的電腦加速設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]計算機的更新?lián)Q代非?？欤a(chǎn)品型號眾多，設(shè)備種類繁多，年代跨度大，系統(tǒng)平臺復(fù)雜，目前暫時缺乏有效的通用型升級解決方案。
[0003]1.為什么需要電腦加速型功能的產(chǎn)品
技術(shù)的發(fā)展總把硬件甩在后面。電影變高清，系統(tǒng)出Win8，游戲的最低配置紛紛變四核了，微軟新推出的0ffice2013就要占掉2G內(nèi)存。升級電腦成本很高，一般都要數(shù)千元。目前，這種升級是一個棘手的問題，現(xiàn)有的解決方案一般是升級電腦配新機器，不但花費近萬，而且舊機器從此閑置成為占空間的電子垃圾，或者也有不少用戶自行購買零配件來拆機換部件，技術(shù)要求較高，難度也很大，比如換CPU，換硬盤不但需要準(zhǔn)確接駁機箱中的各種數(shù)據(jù)線與插口，還需要導(dǎo)出舊硬盤的數(shù)據(jù)并重裝系統(tǒng)與各類軟件，一般用戶根本不會。而且成本依然居高不下，與主板的兼容性也存在很大問題。
[0004]也有一些軟件可以優(yōu)化電腦系統(tǒng)，比如360優(yōu)化大師，加速球，但是這些都沒有在實質(zhì)上改善硬件能力，只是清理電腦緩存垃圾等，和很多人常說的電腦用久了就重裝一下系統(tǒng)可以變快很類似。本身并沒有增強計算機的性能。
[0005]2.電腦加速的瓶頸在哪里？在于硬盤的速度
近十年來，CPU和內(nèi)存的性能提高了 100多倍，但硬盤的性能只提高了兩倍。整個數(shù)據(jù)處理的瓶頸，就在硬盤上。只要能打通這個瓶頸，信息傳輸就走上了 “高速公路”。
[0006]正因為此，固態(tài)硬盤才被用于取代機械硬盤。固態(tài)硬盤(Solid State Disk)用固態(tài)電子存儲芯片陣列而制成的硬盤，由控制單元和存儲單元組成。固態(tài)硬盤的接口規(guī)范和定義、功能及使用方法上與普通硬盤的完全相同，在產(chǎn)品外形和尺寸上也完全與普通硬盤一致?；陂W存的固態(tài)硬盤是固態(tài)硬盤的主要類別，其內(nèi)部構(gòu)造十分簡單，固態(tài)硬盤內(nèi)主體其實就是一塊PCB板，而這塊PCB板上最基本的配件就是控制芯片，緩存芯片(部分低端硬盤無緩存芯片)和用于存儲數(shù)據(jù)的閃存芯片。除了主控芯片和緩存芯片以外，PCB板上其余的大部分位置都是NAND Flash閃存芯片了。
[0007]固態(tài)硬盤沒有普通硬盤的電機和旋轉(zhuǎn)介質(zhì)，因此啟動快、抗震性極佳。固態(tài)硬盤不用磁頭，磁盤讀取和寫入速度快，延遲很小。讀寫速度一般可以達到100M每秒以上。準(zhǔn)確的說，預(yù)期速度在138M每秒左右，其計算方式如下:在不采取任何加速措施的情況下，F(xiàn)lash典型的讀時序由命令和數(shù)據(jù)部分組成，讀時間為78us，因此典型的讀帶寬為216Mbps。Flash的寫時序主要可以分為3個階段:命令階段(Command),通過命令字設(shè)置寫入過程的開始和結(jié)束，并設(shè)置頁面地址；數(shù)據(jù)階段(Data)，將數(shù)據(jù)加載到Flash的數(shù)據(jù)緩沖中；編程階段(Program)，將數(shù)據(jù)緩沖中的數(shù)據(jù)真正編程到Flash陣列中。典型的寫周期最小為25ns，編程時間在220us-500us左右，因此其寫入時間為275us，最大帶寬為61.4Mbps。對于一個典型的應(yīng)用，有50%的讀和50%的寫，則綜合速率為216X 50%+61.4X50%=138.7Mbps。當(dāng)然,入門級固態(tài)硬盤還達不到此速度。
[0008]雖然速度比起機械硬盤那還是快不少，但是壞處也是很多的，比如價格貴，容量小，電池航程較短，寫入壽命有限等等。關(guān)鍵是價格貴容量小，確切的說是不貴的就容量小，五百元左右的入門級金士頓SSD NOff只有32G容量。容量大的就價格貴，同樣是ITB的大小，機械硬盤200元左右，固態(tài)硬盤至少五千。因此在新的出廠的電腦中，固態(tài)硬盤也仍然沒有取代機械硬盤。[0009]而且老電腦升級主要要考慮可行性，以及性價比，這兩個方面?？尚行陨?首先是兼容性問題。早期的主板并不支持固態(tài)硬盤。具體地說，90年代到2010年期間的主板基本上都不能夠支持固態(tài)硬盤。就可行性而言:首先對于絕大多數(shù)老電腦來說，安裝SSD是無效的，因為11年以前的電腦根本就不支持SATA 2協(xié)議，更別提SATA3 了，主板接口最大支持速度就是100M每秒的普通IDE或者SATA硬盤協(xié)議，根本無法用SSD獲得加速效果。而更換主板幾乎不可能。其次，依然是不方便，一般的用戶并不擅長自己更換硬盤，更換硬盤尤其意味著更換整個系統(tǒng)，拷貝所有的文件，重裝各種驅(qū)動，消耗至少一兩天的時間。再者，SSD設(shè)置復(fù)雜，只有在Win7或者Win8下才可以超過普通硬盤速度，XP不識別SSD的Trim指令、4k對齊以及ACHI。不但不能加速，還會無法使用電腦，在大多數(shù)情況下會藍屏、死機，原因您可以參考計算機醫(yī)生網(wǎng)的分析?？墒侨绻o老電腦裝Win7的話，CPU和內(nèi)存吃得消嗎？
就性價比而言:第一就是價格高，固態(tài)硬盤的入門級32G-64G的價格都要五百元左右，可是64G在安裝Win7系統(tǒng)與Office之后就基本沒有剩余空間了。而入門級128G的價格就已經(jīng)逼近千元。升級舊電腦來說這個成本已經(jīng)不值得。第二就是壽命短，固態(tài)硬盤一般都是MLC閃存，其壽命在得不到正確保養(yǎng)下很短。而開啟Trim，4k對齊等保養(yǎng)措施一般客戶不會。
[0010]最重要的是，即使采用固態(tài)硬盤，數(shù)據(jù)速度依然與內(nèi)存速度有十倍的差距！
目前最常用于SSM的半導(dǎo)體存儲介質(zhì)是DRAM(Dynami cRandomAccessMemor y)和N AN D Flash.其中，D R A M的存儲密度相對較低，且具有易失性，需有定期刷新機制以維持數(shù)據(jù)信息，因此以D R A M為介質(zhì)的固態(tài)存儲器的容量極為有限，在新型存儲設(shè)備中應(yīng)用較少，我所知的有一個案例是空間太陽望遠鏡的星載固態(tài)存儲器，見參考文獻I。而N AN D F I a s h是基于與非門的閃存芯片，存儲密度較高，同時其數(shù)據(jù)在斷電后依然能夠保持，應(yīng)用非常廣泛.但它的控制邏輯比較復(fù)雜，直接訪問速度較低，如何根據(jù)N AN D F I a s h的特征實現(xiàn)存儲陣列的高速訪問是目前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界亟待解決的問題。當(dāng)然，固態(tài)存儲系統(tǒng)的存取速率慢的問題，也已經(jīng)引起了重視。目前常用的優(yōu)化技術(shù)主要有緩存和并行讀寫技術(shù)，見參考文獻2。并行技術(shù)即通過增加總線寬度的方法來提高存取速度，現(xiàn)有的S SM解決方案主要包括例如SAMSUNG、Toshiba, SANDIS K等廠商推出的基于N AN 0?1&311的25603的大容量固態(tài)存儲器，其讀寫速度最高可達2 O O~2 2 O MB / s，但大容量閃存造成成本高昂，且這個速度由于受到總線寬度的限制，已經(jīng)是極限。緩存技術(shù)采用SRAM等高速靜態(tài)緩存材料，然而SRAM是作為CPU緩存用的，電路復(fù)雜，03年之后就不用于內(nèi)存了，2M大小就在200元左右，32M就要2000元左右，這意味著高昂的成本，比升級個人計算機更高的成本，從而使得這些技術(shù)局限在企業(yè)應(yīng)用與服務(wù)器應(yīng)用市場。[0011]3.那么目前是否有其他的低成本高效果的技術(shù)方案來解決硬盤速度的瓶頸？ 當(dāng)前也有用其他設(shè)備來加速電腦的嘗試。目前所知的就是英特爾的迅盤:迅盤是一塊
PC1-E接口的擴展卡，搭載有一塊或兩塊NAND閃存，作為一個Mini PC1-E Ix規(guī)格的擴展卡，通過PC1-E總線與系統(tǒng)I/O控制器進行數(shù)據(jù)交換。迅盤所采用的閃存模塊為NAND，而并非N0R，這是由于NAND在存取數(shù)據(jù)的性能方面要優(yōu)于N0R，且具備更好的性價比。
[0012]在系統(tǒng)的支持下,可提供ReadyBoost和ReadyDrive功能,這些功能將直接對系統(tǒng)在啟動、休眠、安裝程序、拷貝文件、載入游戲等有關(guān)磁盤操作的任務(wù)上進行性能提升。官方資料表明，迅盤可以使開機速度加快20%，同時減少硬盤轉(zhuǎn)數(shù)以節(jié)省功耗。
[0013]ReadyBoost 功能簡介:
當(dāng)ReadyBoost確定閃存內(nèi)的緩存比硬盤內(nèi)的緩存更能滿足隨機讀取需求時,它便會從閃盤介質(zhì)內(nèi)隨機讀取數(shù)據(jù)。硬盤會一次性的批量讀出大量數(shù)據(jù)，并暫時儲存在迅盤中，供系統(tǒng)隨時調(diào)用；同時需要寫入的數(shù)據(jù)也先暫存在迅盤中，等積累到一定數(shù)量后再統(tǒng)一寫入到硬盤中，這種隨用隨取的讀/寫機制對提高系統(tǒng)性能很有幫助。在這段時間里，硬盤處于閑置狀態(tài)，而且迅盤的容量越大，硬盤閑置的時間越長，從而減少機械轉(zhuǎn)動次數(shù)和電量消耗，延長筆記本電池的續(xù)航時間。
[0014]ReadyDriver 功能簡介:
ReadyDrive事實上就是微軟對混合硬盤(帶有內(nèi)部閃存部件的硬盤)的稱呼。這種硬盤除了閃存顯而易見的隨機訪問速度優(yōu)勢外，最大的誘惑還是在于其中保存的數(shù)據(jù)“立等可取” 一因為對于閃存而言，既不需要啟動磁頭，也不用等待磁頭轉(zhuǎn)動到合適的位置。Hybird硬盤的啟動、休眠、睡眠速度更快，而且功耗更低。因為當(dāng)操作系統(tǒng)讀寫緩存時，驅(qū)動器本身可以暫時停止工作，不消耗任何電力。而從休眠狀態(tài)恢復(fù)運行時，筆記本電腦也能夠馬上從緩存中讀取數(shù)據(jù)開始工作，而不用像往常那樣，先得等待驅(qū)動器的磁頭啟動起來。
[0015]在迅盤的驅(qū)動程序中可以看出，使用者可以通過軟件界面設(shè)定該模塊提供ReadyBoost> ReadyDrive功能,還是兩者兼具。
[0016]但是，迅盤依然不是一個有效的升級方案。也正因為此，現(xiàn)在已經(jīng)不太有人提起。其失敗的主要原因在于:1.不能用于臺式機，也不能用于絕大多數(shù)筆記本。所有上網(wǎng)本以及多數(shù)筆記本電腦均不支持迅盤模塊，因為這不僅要求筆記本電腦提供一個額外的MiniPC1-E插槽，同時更重要的還要求筆記本電腦的SATA接口支持ACHI功能；2.安裝復(fù)雜，一般用戶并不會拆機安裝mini PC1-E，以至于無法用于舊電腦升級；3.效果不好。PC1-E總線的速度本身被限制在150M每秒以下，而英特爾的NAND閃存則還遠達不到這個速度，實測在35M每秒的隨機讀寫速度，對硬盤提升不大，比固態(tài)硬盤還不如；4.價格昂貴。4G的迅盤定價就在100美元；5.系統(tǒng)兼容性差。這一點本身就足以排除迅盤用于給舊電腦加速的可能了。無論Readydrive還是Readyboost都只能用于Windows Vista以上的操作系統(tǒng)，而舊電腦絕大多數(shù)都是XP的操作系統(tǒng)，也只能在XP下流暢運行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]因此，在本發(fā)明中，一種基于新材料專門設(shè)計的用于加速電腦的外接式硬件設(shè)備被提出。
[0018]聽起來似乎很荒謬，但是隨著新材料的出現(xiàn)，電腦對外數(shù)據(jù)通信速度的日益提升以及云計算的發(fā)展，這是完全可以做到的，在我們后面制作的樣品中，也基本達到了設(shè)計目的。
[0019]為了有效提升舊電腦的性能，并同時滿足簡易的安裝使用能力與需求，本發(fā)明采用了如下方案:一種即插即用的USB接口(USB3.0以上接口)的電子設(shè)備，該電子設(shè)備的包含有主控芯片以及ReRAM (Resistive random-access memory)阻變存儲器模塊。樣本利用了在24nm制程下生成的32G的ReRAM芯片兩塊，以雙通道主控工作。對于不具備USB3.0的電腦，如是臺式機則可以從PCI接口轉(zhuǎn)接出USB3.0，如是筆記本則可以從ExpressCard接口轉(zhuǎn)接出USB3.0，這兩種轉(zhuǎn)接卡一般都只要幾十元，從而具備普適性。該設(shè)備的工作原理為:設(shè)備通過USB接口與計算機連接，在阻變存儲器中為計算機創(chuàng)建緩存文件，緩存系統(tǒng)與應(yīng)用程序的常用文件以及預(yù)讀頻繁讀寫的零散文件，利用阻變存儲器的高速隨機訪問以及快速讀寫速度，減少計算機系統(tǒng)對硬盤(包括基于NAND的固態(tài)硬盤)的訪問，為計算機提供加速并提升I/O性能。
[0020]同時，設(shè)備的驅(qū)動還對USB協(xié)議進行了改善，對于傳統(tǒng)的USB接口協(xié)議中阻礙快速數(shù)據(jù)傳輸?shù)腂OT協(xié)議(Bulk-Only Transport)進行優(yōu)化,在USB傳輸協(xié)議上做了資源分配優(yōu)化，配置更多系統(tǒng)資源給設(shè)備，并且支持類似NCQ的多任務(wù)傳輸功能，大幅提升多QD下的隨機讀寫速率。
[0021]設(shè)備的算法與架構(gòu)還采用了如下設(shè)計:1.對系統(tǒng)內(nèi)存提供智能壓縮與后臺自動釋放，從而避免計算機因內(nèi)存不足調(diào)用虛擬內(nèi)存而增大對硬盤的讀寫；2.通過對用戶習(xí)慣進行長期監(jiān)測識別，判斷出系統(tǒng)即將使用哪些數(shù)據(jù)，預(yù)存在設(shè)備ReRAM模塊中，CPU將直接從設(shè)備中獲取數(shù)據(jù)，再將其轉(zhuǎn)入內(nèi)存中，從而減少對硬盤的讀寫；3.雙通道模式，該陣列模組將2塊32G的ReRam芯片集成在一起，并采用雙通道主控，從而能夠以雙通道模式工作。作為一個邏輯磁盤組，將數(shù)據(jù)以分段的方式存儲在這個邏輯磁盤組的不同物理磁盤上，進行數(shù)據(jù)存取時，陣列中的相關(guān)磁盤并行工作，減低數(shù)據(jù)存取的時間，從而達到和RAID O (磁盤陣列O)相同的加速效果，使讀寫速度更快。
[0022]另外很重要的一點是，設(shè)備將應(yīng)用程序進行虛擬化處理，從而預(yù)存所有程序文件與程序系統(tǒng)環(huán)境文件在設(shè)備中。(虛擬化原理有多種，主要是利用沙盒的虛擬化技術(shù)，先把應(yīng)用程序安裝到運行中所有的動作都記錄起來并處理成本地的文件，當(dāng)執(zhí)行主程序文件時，它會臨時產(chǎn)生一個虛擬環(huán)境來執(zhí)行，類似影子系統(tǒng)一樣，一切涉及的操作都是在這個虛擬環(huán)境中完成，并不會去動原本的系統(tǒng)。這樣處理后所有的調(diào)用文件都在應(yīng)用程序的存放目錄，也就是ReRam模塊或SLC NAND閃存模塊下，而不會安裝到硬盤。)這一處理最徹底地避免了程序使用中的硬盤讀寫。
[0023]這樣做是為了實現(xiàn)更快的程序運行、更為簡單的程序安裝與操作、更強大的系統(tǒng)運行能力，并具有廣泛兼容性的系統(tǒng)程序運行能力。使得該應(yīng)用程序可以無需安裝，直接以即插即用的形式在計算機運行，并且是高速運行。而后設(shè)備再將該應(yīng)用程序以數(shù)據(jù)形式導(dǎo)入到服務(wù)端。這種做法還減少了系統(tǒng)服務(wù)項，尤其是大大減少了計劃任務(wù)項，擴展加載項與開機啟動項，從而在增強系統(tǒng)應(yīng)用功能的同時達到系統(tǒng)優(yōu)化。
[0024]設(shè)備方案見說明書附圖1.關(guān)于幾個關(guān)鍵問題的說明如下:
1.為什么使用ReRAM ? 電脈沖觸發(fā)的可逆電阻開關(guān)效應(yīng)的電阻式隨機存儲器(R e RAM，阻變存儲器)是下一代高速高密度非揮發(fā)性隨機存儲器的強有力的競爭者之一.R e RAM具有制備工藝簡單，讀寫速度快，存儲密度高，非揮發(fā)性以及與硅集成電路工藝兼容性好等優(yōu)勢。見參考文獻3.R e R A M存儲器的結(jié)構(gòu)十分簡單，為兩層金屬薄膜中間夾一層絕緣層的三明治結(jié)構(gòu)，中間的絕緣層一般為金屬氧化物薄膜.當(dāng)在這樣的Re RAM存儲器兩端施加一個電壓脈沖時，根據(jù)脈沖的高度、寬度和極性，R e R AM器件中絕緣層的電阻率可以發(fā)生幾個數(shù)量級的可逆變化，即R e R A M的電阻可在高阻態(tài)和低阻態(tài)之間發(fā)生可控可逆的變化，這就是所謂的電阻開關(guān)特性。利用這種電阻開關(guān)變化特性可以制作理想的存儲器.首先，R e R A M的電阻轉(zhuǎn)換過程非?？?納秒級)，因此R e RAM可以用作高速R AM.其次，如果不施加電壓，R e R AM的電阻特性可以在很長的時間內(nèi)保持其狀態(tài)不變(?I O年)，因此R e R AM是一種非揮發(fā)性存儲器，除了讀取以及存儲周期外，R e R AM幾乎沒有能耗.第三，R e RAM的尺寸可以小至光刻技術(shù)的特征線寬，因此其尺寸比其他存儲器如磁存儲器(MR AM)、M O S存儲器的小得多，所以存儲密度可以比其它R A M高I到2個數(shù)量級，而且R e R A M可以實現(xiàn)多層堆積結(jié)構(gòu)，因此可進一步提高存儲密度.第四，R e R AM制作工藝簡單，不需要常規(guī)R AM器件過程中涉及的摻雜工藝及導(dǎo)電類型控制工藝，而且制作工藝與硅集成電路工藝的兼容性很高. 申請人:認為，隨著ReRAM的工業(yè)化生產(chǎn),新的計算機會減少一種核心部件。從傳統(tǒng)的CPU,內(nèi)存，硬盤這個三核心模式變成只需要CPU與硬盤的雙核心模式。ReRAM在速度上與DRAM內(nèi)存不相上下，在存儲能力上則比目前的NAND更強，如果用ReRAM制造新型的固態(tài)硬盤，則可以融合內(nèi)存與硬盤，數(shù)據(jù)直接讀取出來進入CPU即可；但是對于原有的舊電腦的升級，則會從三核心模式變成包括外接基于ReRAM緩存的加速設(shè)備的四核心模式。依靠ReRAM材料的速度與非易失性作為高速緩存，從而提升從硬盤數(shù)據(jù)到內(nèi)存與CPU的速度。為被升級的電腦提供的第四個核心部件。
[0025]2.為什么要采用外接USB方式而不是內(nèi)置的SATA方式？
很顯然，USB即插即用是最方便也最簡單的使用方式，兼容性最高，幾乎所有電腦都有USB接口。任何內(nèi)置接口都不方便使用，也不會被社會大眾采納。那么USB接口的速度會收到影響嗎？實際上只要進行如下的分類討論就很明顯了。
[0026]對于2009年以前的電腦，USB接口一般為USB 2.0，速度帶寬480M每秒，相當(dāng)于最高數(shù)據(jù)傳輸為60M每秒?？雌饋聿桓?。但是，09年以前的電腦沒有固態(tài)硬盤，一般的機械硬盤的隨機數(shù)據(jù)存取速度都小于20M每秒，一般在IOM每秒左右，遠低于USB2模式的60M帶寬。只要能夠?qū)SB協(xié)議進行優(yōu)化，利用滿60M的速度，可以加速接近6倍！(在下面介紹的實際生產(chǎn)樣品中，在USB2下的速度就達到了 57M每秒)
而對于有USB3的電腦，則USB3的速度實際上大于SATA 3。先以帶寬來看，USB 3.0提供了 5Gbps(625MB/s)的大小，雖然SATA III的6Gbps賬面帶寬較大，不過因為傳輸架構(gòu)的換算方式并不相同，因此換算成MB/s時僅為600MB/S，在理論值上會比USB 3.0的625MB/s來得小，更不用說是SATA II的3Gbps (300MB/s)了。再以方便性來討論這兩者，USB是每臺計算機不可或缺的端口，USB 3.0不但可以向下兼容、擁有即插即用的便利性，在供電方面更從500mA增加到了 900mA，而造就了其相當(dāng)大的優(yōu)勢。[0027]3.為什么要修改USB協(xié)議？
USB以往就一直存在相當(dāng)嚴(yán)重的帶寬利用率低下的問題，USB 2.0的帶寬為480Mbps(60MB/s)，但就算實際使用傳輸速度高達lOOMB/s以上的優(yōu)盤也無法用到完整的帶寬，速度上限僅有約一半的33MB/S左右，這是因為USB的半雙工傳輸模式與BOT (Bulk OnlyTransfer)傳輸協(xié)議所導(dǎo)致的關(guān)系。半雙工的數(shù)據(jù)傳輸方式就像是對講機，當(dāng)一方按下發(fā)話鈕時另一方只能收聽聲音，必須等待對方說完才可以按下發(fā)話鈕進行發(fā)話，也就是說半雙工的模式雖然提供了雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，但是?shù)據(jù)的傳輸方向僅有單向而已。而BOT協(xié)議則是一種單線程的傳輸架構(gòu)，必須等待一筆數(shù)據(jù)區(qū)塊完整送達之后才能夠發(fā)送出下一筆數(shù)據(jù)，也就是說不論這條馬路有多寬，但是就只能夠允許一臺車子在這條馬路上行駛，這樣的方式根本沒有辦法有效紓解后方龐大的車流量，而會造成資料區(qū)塊「塞車」的情形發(fā)生。而當(dāng)USB提升到3.0的規(guī)格，雖然使用了額外的五個接點，改為全雙工的數(shù)據(jù)傳輸模式，可以同時進行雙向的數(shù)據(jù)傳輸，帶寬比起上一代也提升了有十倍之多，不過其傳輸架構(gòu)還是在BOT之下，因此我們必須予以優(yōu)化加速。
[0028]BOT的加速模式在上述的比喻下就很好理解了:既然在BOT的架構(gòu)之下，馬路上就只能夠有一臺車在行駛，一個人開是一臺，小客車坐滿5個人也是一臺，大型客運坐滿50人也還是一臺，在要運送一定數(shù)目的人數(shù)時，每次都是大型客運在路上行駛，就可以減少許多車流量了。所謂的USB Turbo模式就是基于這樣的原理來設(shè)計的，將數(shù)據(jù)整理成較大數(shù)據(jù)區(qū)塊再進行傳送，而且不論何種儲存媒體，對于大檔案的處理能力總是比小檔案要來得好，因此使用這種方式可以顯著提升數(shù)據(jù)傳輸速度。
[0029]本發(fā)明的本意是用新材料為舊計算機添加第四個核心部件，從而以高速的USB接口速度作為新的數(shù)據(jù)傳輸瓶頸(625M每秒)，以預(yù)存緩存的模式代替硬盤。
[0030]從實質(zhì)上來說，一個完整的計算機原本就是各個電子元器件組成的系統(tǒng)，其性能依賴于各個元器件本身的數(shù)據(jù)處理能力以及元器件之間的數(shù)據(jù)傳輸速度。DDR3內(nèi)存的數(shù)據(jù)讀取能力在800M每秒，而DDR2 667內(nèi)存的數(shù)據(jù)讀取能力在333M每秒，傳統(tǒng)硬盤的小文件讀取和隨機讀取都在10-15M每秒，成為實際上的數(shù)據(jù)速度制約。采用ReRAM(約700M每秒數(shù)據(jù)讀寫速度，尤其擅長隨機訪問)作為USB3.0外接緩存，將小文件讀取和隨機讀取都轉(zhuǎn)移的話，這個數(shù)據(jù)瓶頸就從10-15M每秒上升到625M每秒的USB3.0速度上限。
[0031]4.為什么要虛擬化系統(tǒng)程式？
虛擬化將系統(tǒng)環(huán)境也虛擬化成一系列的文件形式，在運行的時候啟動。這就將程序運行的所有所需讀寫都轉(zhuǎn)移到程序所在目錄，也就是外接的ReRAM芯片中，不會再需要系統(tǒng)盤的讀寫。對于本設(shè)備而言，意味著被加速電腦的硬盤將不再運行程序文件或程序調(diào)用的系統(tǒng)文件，所有這些都在外接的ReRAM芯片中運行。這一處理最徹底地避免了程序使用中的硬盤讀寫，否則在應(yīng)用程序運行過程中不可避免對硬盤依然會有讀寫。
[0032]同時，這樣做是為了實現(xiàn)更快的程序運行、更為簡單的程序安裝與操作、更強大的系統(tǒng)運行能力，并具有廣泛兼容性的系統(tǒng)程序運行能力。使得該應(yīng)用程序可以無需安裝，直接以即插即用的形式在計算機運行，并且是高速運行。而后設(shè)備再將該應(yīng)用程序以數(shù)據(jù)形式導(dǎo)入到服務(wù)端。這種做法還減少了系統(tǒng)服務(wù)項，尤其是大大減少了計劃任務(wù)項，擴展加載項與開機啟動項，從而在增強系統(tǒng)應(yīng)用功能的同時達到系統(tǒng)優(yōu)化。
[0033]本
【發(fā)明內(nèi)容】
的有益效果 相比于傳統(tǒng)的電腦升級，本設(shè)備具備如下優(yōu)點:1.操作簡單:升級老電腦往往需要拆機換內(nèi)存換硬盤，如果要加快速度還要動手焊主板換CPU，忙活一兩天還常常倒騰壞，或出現(xiàn)藍屏，各種接口之間的兼容性問題也絕非一般用戶搞得清楚的。最妥當(dāng)?shù)霓k法是自己當(dāng)搬運工將電腦抱到電腦城去現(xiàn)場升級，但價格很高，貓膩很多，常常被偷換部件。用加速棒只需要安裝驅(qū)動插上電腦點擊幾下就可以完成。
[0034]2.效果較好:對于USB2.0的普通機械硬盤的電腦，程序啟動運行速度可以提升3-6倍，對于USB3.0的較新機械硬盤或混合硬盤的電腦，程序啟動運行速度可以提升10-20倍，對于USB3.0的固態(tài)硬盤的電腦，程序啟動運行速度可以提升2-3倍.(此外，其實對于一般的電腦，都可以從PC1-E或者ExpressCard轉(zhuǎn)接出USB3.0，相比于原裝的USB3.0，這些轉(zhuǎn)接出的USB3.0速度較低，數(shù)據(jù)傳輸大約在150M每秒)。
[0035]3.成本低廉:ReRAM的制程更低,樣本是24nm的，幾年內(nèi)工業(yè)可以達到20nm制程，容量更大，因此單位容量生產(chǎn)成本比NAND閃存更低。加速棒的硬件生產(chǎn)成本有望降低到一百元以下。
[0036]本
【發(fā)明內(nèi)容】
的實施案例
本發(fā)明已經(jīng)生產(chǎn)出樣品。樣品上預(yù)裝了 24nm制程的雙層的基于MeOx制造的32GbReRAM存儲模塊高速緩存區(qū)，并用USB3.0接口進行高速通信，作為本地系統(tǒng)的隨機存儲區(qū)達到加速、提升緩存性能的目的。在USB3.0接口下，其測試讀取為550M每秒，寫入為380M每秒，已經(jīng)遠遠超過固態(tài)硬盤的速度，逼近內(nèi)存速度，緩存速度提升了 5倍，對于系統(tǒng)加速效果十分明顯。見附圖2所示。
[0037]設(shè)備在與計算機連接后會自動進行USB協(xié)議優(yōu)化，實現(xiàn)BOT Turbo模式，并分配更多資源給設(shè)備，改變USB傳輸協(xié)議之后原本只支持單線的緩存交換，變成可同時處理多重緩存任務(wù)讀寫，類似硬盤NCQ技術(shù)，更充分發(fā)揮了設(shè)備作為系統(tǒng)新內(nèi)存的作用。優(yōu)化前USB2接口速度為35M每秒左右，優(yōu)化后達到57M每秒，優(yōu)化前USB3接口速度在260M每秒左右，優(yōu)化后才達到550M每秒的。可見這一工作十分重要。
[0038]設(shè)備的算法與架構(gòu)包括了: 1.對系統(tǒng)內(nèi)存提供智能壓縮與后臺自動釋放；2.通過對用戶習(xí)慣進行長期監(jiān)測識別，判斷出系統(tǒng)即將使用哪些數(shù)據(jù)，預(yù)存在設(shè)備中；3.雙通道模式，陣列模組集成2塊ReRam芯片并采用雙通道主控；4.設(shè)備將應(yīng)用程序進行虛擬化處理，從而預(yù)存所有程序文件與程序所需系統(tǒng)環(huán)境文件在設(shè)備中。
[0039]用戶只需要插入電腦并安裝驅(qū)動便可以開啟上述功能了，見附圖3所示。
[0040]設(shè)備還具有圖形界面的控制臺，提供智能化的自動管理與控制，可以選擇性的載入通道與分區(qū)。見附圖4所示。新增加的ReRAM外接‘內(nèi)存’可以通過控制面板查看與管理。其他詳細介紹如下。
[0041]1.樣品使用材料
兩塊雙層的130.7平方毫米大的基于MeOx制造的32Gb ReRAM存儲模塊。采用的該模塊接口完全兼容老式的NAND界面，也就是說，可以直接用原來的閃存主控。陣列架構(gòu)以及晶體單元的STEM圖像示于附圖5中。
[0042]其中二端單元與二極選擇器單元層疊在支持CMOS的電路上。存儲芯片陣列被劃分成16片，每片含128塊，每塊分為4列。WL驅(qū)動器被放置下，而BL的驅(qū)動則位于列之間。該模塊不同于先前的一些模塊[參考文獻4]的是，在先前的模塊中只有選擇晶體管處于存儲器陣列下方，而在樣品芯片中，陣列控制電路，讀出放大器，頁面緩沖和電壓調(diào)節(jié)器驅(qū)動器都被放置在存儲器陣列下，且陣列的片與片之間共享讀出放大器和頁面緩沖，見附圖6所示。該結(jié)構(gòu)能提高陣列效率，達到更高存儲密度。該芯片的模具顯微圖見附圖7所示，剖視圖見附圖8所示。
[0043]在先前的工作[參考文獻4、5]中，其生產(chǎn)出的ReRAM芯片的寫入速度為443M每秒，讀取速度達到2.3GB每秒。樣品的讀取速度為2.8GB每秒，寫入速度略低，為389M每秒，但均已經(jīng)接近于DDR3內(nèi)存的實際數(shù)據(jù)速度。(注:實際數(shù)據(jù)速度與帶寬之間存在換算關(guān)系。)因此，基本可以認為已經(jīng)超出了 USB3.0的帶寬。
[0044]2.樣品硬件架構(gòu)
在樣品上，我們測試了兩個主控方案，一個是銀燦IS903雙通道主控芯片，搭載兩塊32G的ReRAM存儲模塊，屬于雙貼雙通道方案。方案一在USB3.0接口下，其測試讀取為550M每秒，寫入為380M每秒，已經(jīng)遠遠超過固態(tài)硬盤的速度，逼近內(nèi)存速度，緩存速度提升了 5倍，對于系統(tǒng)加速效果十分明顯。(采用的ReRAM存儲模塊本身的讀取速度在3G每秒左右，樣品的情況屬于不理想的讀取速度，應(yīng)當(dāng)是收到主控的限制造成的。)
另一個方案使用的就是部分高端固態(tài)硬盤采用的Marvell 9187主控。Marvell88SS9187的主控的閃存接口支持8通道，每通道200MT/s帶寬，每根通道硬件支持4CE，靠外部解碼器和內(nèi)部編碼模式可以擴展到支持到最大16CE。可惜該主控在測試未能實現(xiàn)USB3.0協(xié)議輸出，暫時用了 SATA轉(zhuǎn)USB3的轉(zhuǎn)接線完成測試。
[0045]Marvell 88SS9187接口帶寬為200MT/s，每通道硬件支持4CE。使用了 8片32G的ReRAM存儲模塊構(gòu)成了 RAID陣列。本來樣品擬提供由8片的8G SLC NAND組成的八通道二級緩存，因體積原因也就沒有用，且似乎也并無必要。方案二在USB3.0接口下，其測試讀取為620M每秒,寫入為590M每秒,效果更好,但差別不大。
[0046]只要方案一改進主控，效果便充分達到USB3的上限了。未來必定會有專門針對ReRAM的主控而不需要用兼容NAND主控。
[0047]3.樣品采用的虛擬化方案
樣品設(shè)備支持兩種虛擬模式，模式1，如果用戶在開機的時候按下F12選擇USB啟動，則操作系統(tǒng)都會采用樣品中預(yù)先封裝的系統(tǒng)，這種情況下速度最快，相當(dāng)于直接屏蔽了原計算機中的硬盤。該系統(tǒng)下通過如下方案使得用戶依舊可以安裝程序保存工作等，實現(xiàn)日常系統(tǒng)的工作，效果見附圖9。
[0048]模式2，如果用戶正常開機，不進入設(shè)備預(yù)載的系統(tǒng)，則會進入原計算機系統(tǒng)，但此時用戶可以直接用設(shè)備中預(yù)載的數(shù)千款已經(jīng)虛擬化的常用程序，或者將本機應(yīng)用程序進行虛擬化處理，從而預(yù)存所有程序文件與程序系統(tǒng)環(huán)境文件在設(shè)備中。(虛擬化原理前面已經(jīng)闡述了，主要是利用沙盒的虛擬化技術(shù)，先把應(yīng)用程序安裝到運行中所有的動作都記錄起來并處理成本地的文件,當(dāng)執(zhí)行主程序文件時,它會臨時產(chǎn)生一個虛擬環(huán)境來執(zhí)行,類似影子系統(tǒng)一樣，一切涉及的操作都是在這個虛擬環(huán)境中完成，并不會去動原本的系統(tǒng)。這樣處理后所有的調(diào)用文件都在應(yīng)用程序的存放目錄，也就是ReRam模塊或SLC NAND閃存模塊下，而不會安裝到硬盤。)這一處理最徹底地避免了程序使用中的硬盤讀寫。
[0049]4.樣品其他測試
在生產(chǎn)出的該樣品上，還具備有3G網(wǎng)絡(luò)模塊，設(shè)備和遠程服務(wù)器一云主機通信，用戶通過設(shè)備將程序安裝到遠程服務(wù)器，然后由遠程服務(wù)器的云計算來分擔(dān)本地宿主計算機的程序運行、游戲運行等計算任務(wù)，在本地計算機上顯示用戶界面。為實現(xiàn)該目的，設(shè)備還可能包含了或更高速的網(wǎng)絡(luò)模塊，用于和遠程服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)，而無需借用宿主計算機的網(wǎng)絡(luò)，從而可以在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不好的地區(qū)實現(xiàn)云計算功能。在樣品上，云主機四核配置3.53GHz主頻8M緩存(Intel Xeon Processor E3-1270),采用了思科XenApp技術(shù),讓用戶將程序安裝在遠程服務(wù)器上，然后通過設(shè)備上的客戶端打開就能在任何一臺本地電腦上操作，不占用本地電腦的CPU，可以輕松在老電腦上運行使命召喚等大型游戲，以及運行0ffice2013等大型應(yīng)用。見附圖10所示。
[0050]參考文獻:[I].王芳，李恪，蘇林，耿立紅.空間太陽望遠鏡的星載固態(tài)存儲器研制[J ].電子學(xué)報，2 0 0 4年第3期:472 — 475。
[0051][2],王超，張惠臻，周學(xué)海，馬宏星.異質(zhì)存儲系統(tǒng)中的高速緩存機制研究[J ].電子學(xué)報，2 O 11年第6期:1267-1271。
[0052][3],王源，賈嵩，甘學(xué)溫.新一代存儲技術(shù):阻變存儲器[J ].北京大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，第47卷，第3期，2011年5月。
[0053][4] A.Kawahara, et al., “An 8Mb Mult1-Layered Cross-Point ReRAM Macrowith 443MB/s Write Throughput”， ISSCC Dig.Tech.Papers, pp.432-433， Feb.2012。
[0054][5] ff.0tsuka, et al., “A 4Mb Conductive-Bridge Resistive Memory with
2.3GB/s Read-Throughput and 216MB/s Program-Throughput，，，ISSCC Dig.TechPapers, pp.210-211， Feb.2011。
[0055]【專利附圖】

【附圖說明】:
圖1.設(shè)備的原理圖。
[0056]圖2.樣品設(shè)備的使用效果圖，加速5-10倍。
[0057]圖3.樣品設(shè)備的使用操作圖，USB即插即用。
[0058]圖4.樣品設(shè)備的使用中加速內(nèi)存控制臺界面。
[0059]圖5.樣品設(shè)備的ReRAM芯片陣列圖。
[0060]圖6.樣品設(shè)備的ReRAM芯片頁面緩存與放大器共享示意圖。
[0061]圖7.樣品設(shè)備的ReRAM芯片Die顯微圖。
[0062]圖8.樣品設(shè)備的ReRAM芯片剖面圖。
[0063]圖9.從樣品設(shè)備以USB啟動即插即用的XP系統(tǒng)并安裝運行office的測試圖，進入系統(tǒng)僅僅花了 7秒鐘。這是由于系統(tǒng)裝在外接的ReRAM存儲區(qū)的緣故。Win8企業(yè)版也支持USB啟動。
[0064]圖10.樣品設(shè)備的使用中應(yīng)用程序在云主機運行，操作界面返回到本地的測試圖。
【權(quán)利要求】
1.一種即插即用的通用串行總線接口(且為USB3.0以上接口)的電子設(shè)備，該電子設(shè)備的包含有主控芯片以及ReRAM阻變存儲器模塊，且該設(shè)備的工作原理為:設(shè)備通過USB接口與計算機連接，在阻變存儲器模塊中為計算機創(chuàng)建緩存文件，(緩存文件可以包括:系統(tǒng)與應(yīng)用程序的常用文件、預(yù)讀頻繁讀寫的零散文件、隨機數(shù)據(jù)等)，利用阻變存儲器的高速隨機訪問以及快速讀寫速度，減少計算機系統(tǒng)對硬盤(包括基于NAND的固態(tài)硬盤)的訪問，為計算機提供加速并提升I/O性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種設(shè)備，其特征在于，設(shè)備的算法與架構(gòu)還采用了如下設(shè)計:對USB協(xié)議進行改善，例如對于傳統(tǒng)的USB接口協(xié)議中阻礙快速數(shù)據(jù)傳輸?shù)腂OT協(xié)議進行優(yōu)化，在USB傳輸協(xié)議上做了系統(tǒng)資源分配的優(yōu)化，提供更多資源給USB設(shè)備，并且支持類似NCQ的多任務(wù)傳輸功能，大幅提升多QD下的隨機讀寫速率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的一種設(shè)備，其特征在于，設(shè)備的算法與架構(gòu)還采用了如下設(shè)計:對系統(tǒng)內(nèi)存提供智能壓縮與后臺自動釋放，從而避免計算機因內(nèi)存不足調(diào)用虛擬內(nèi)存而增大對硬盤的讀寫。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的一種設(shè)備，其特征在于，設(shè)備的算法與架構(gòu)還采用了如下設(shè)計:通過對用戶習(xí)慣進行長期監(jiān)測識別，判斷出系統(tǒng)即將使用哪些數(shù)據(jù)，預(yù)存在根據(jù)權(quán)利要求1的該種設(shè)備中，CPU將直接從設(shè)備中獲取數(shù)據(jù)，再將其轉(zhuǎn)入內(nèi)存中，從而減少對硬盤的讀寫。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的一種設(shè)備，其特征在于，設(shè)備的算法與架構(gòu)還采用了如下設(shè)計:多通道模式，陣列模組集成多塊ReRam芯片并采用多通道主控——具備可選的陣列模組，該陣列模組將多塊ReRam或3D V-NAND芯片集成在一起，并采用多通道主控，從而能夠以雙通道或多通道模式工作，例如，多個物理芯片組成一個陣列，作為一個邏輯磁盤組，將數(shù)據(jù)以分段的方式存儲在這個邏輯磁盤組的不同物理磁盤上，進行數(shù)據(jù)存取時，陣列中的相關(guān)磁盤并行工作，減低數(shù)據(jù)存取的 時間，從而達到和RAID O (磁盤陣列O)相同的加速效果，使讀寫速度更快。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的一種設(shè)備，其特征在于，設(shè)備的算法與架構(gòu)還采用了如下設(shè)計:具備兩重緩存，除了 ReRAM阻變存儲器模塊之外還具有SLC NAND閃存模塊，以ReRAM阻變存儲器模塊為一級緩存，SLC NAND閃存模塊為二級緩存。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的一種設(shè)備，其特征在于，設(shè)備的算法與架構(gòu)還采用了如下設(shè)計:設(shè)備將應(yīng)用程序進行虛擬化處理，從而預(yù)存所有程序文件與程序系統(tǒng)環(huán)境文件在設(shè)備中——虛擬化原理有多種，主要是利用沙盒的虛擬化技術(shù)，先把應(yīng)用程序安裝到運行中所有的動作都記錄起來并處理成本地的文件，當(dāng)執(zhí)行主程序文件時，它會臨時產(chǎn)生一個虛擬環(huán)境來執(zhí)行，類似影子系統(tǒng)一樣，一切涉及的操作都是在這個虛擬環(huán)境中完成，并不會去動原本的系統(tǒng)，這樣處理后所有的調(diào)用文件都在應(yīng)用程序的存放目錄，也就是ReRam模塊或SLCNAND閃存模塊下，而不會安裝到硬盤，這一處理最徹底地避免了程序使用中的硬盤讀寫。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的一種設(shè)備，其特征在于，設(shè)備和遠程服務(wù)器通信，用戶通過設(shè)備將程序安裝到遠程服務(wù)器，然后由遠程服務(wù)器的云計算來分擔(dān)本地宿主計算機的程序運行、游戲運行等計算任務(wù)，在本地計算機上顯示用戶界面:為實現(xiàn)該目的，設(shè)備還可能包含了3G網(wǎng)絡(luò)模塊或更高速的網(wǎng)絡(luò)模塊，用于和遠程服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)，而無需借用宿主計算機的網(wǎng)絡(luò)，從而可以在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不好的地區(qū)實現(xiàn)云計算功能；如果只是將用戶界面以及鍵盤，鼠標(biāo)動作和屏幕的更新信息，通過3G模塊用3G網(wǎng)絡(luò)在本地計算機和服務(wù)器之間傳遞.傳遞的是鍵盤，鼠標(biāo)動作和屏幕的更新信息，是圖片增量變化的那部分信息，一般情況下，這種變化的信息只有幾K到幾十K而已，3G網(wǎng)絡(luò)是沒有問題的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的一種設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備還為本地計算機提供了安全驗證機制的升級，通過將該設(shè)備的硬件指紋(閃存、顯卡、通訊模塊等均有硬件指紋)和用戶自行設(shè)置的密碼組合作為加密機制，為電腦提供類似U盾的文件防護、計算機鎖等功能。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的一種設(shè)備，其特征在于，設(shè)備還提供即插即用的操作系統(tǒng)，可以通過設(shè)置BIOS從USB接口啟動該設(shè)備預(yù)裝在非易失存儲區(qū)內(nèi)的操作系統(tǒng)。
【文檔編號】G06F9/445GK103500075SQ201310472373
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月11日
【發(fā)明者】張維加 申請人:張維加