[发明专利]具有数据处理能力的动态随机存储器装置

说明书

技术领域

本发明专利涉及数据处理系统的存储器，尤其涉及具有数据处理能力的DRAM(动态随机存储器)装置。

背景技术

在过去的几十年里，处理器的性能一直按照摩尔定律以每18个月翻一番的惊人速度提升。这都得益于集成电路制造工艺和体系结构技术的巨大提高。不过人们也开始意识到有越来越多的因素阻碍着处理器的性能进一步提升。其中“存储墙”就是现有冯诺伊曼体系结构中一个难以解决的问题。在以前的设计生产中，处理器与存储器都是单独设计与优化的。处理器的制造工艺是以产生快速的逻辑为目标；而存储器DRAM的制造工艺是以获得存储密度为目的。因此采用不同的制造方法来得到了快速的处理器和价廉的高密度存储器。但是这种方法也产生一个很严重的负面影响，那就是由于高速的处理器性能被慢速的DRAM主存所屏蔽，从而达不到它对整个系统所期望的性能提升。

针对存储墙问题，在传统以处理器为中心的框架下，人们使用层次性存储系统，并采用了大量的方法来减少或者隐藏存储器的访问延迟。这些技术包括改进大容量高速缓冲存储器(Cache)、软硬件预取、推断执行以及多线程技术等。但是，这些方法也不可避免得引入了更多的限制。如会增加失效情况下存储器的访问延迟，其中一些技术还更多的受到存储器带宽的限制。

为了能够从本质上解决存储墙的问题，必须从体系结构入手。已有的一种解决方案就是PIM(Processor In Memory)体系结构。它是随着工艺的进步，处理器和DRAM存储器能够集成在一起而产生的。从而避免了传统冯诺伊曼结构的存储墙性能瓶颈。PIM技术将逻辑器件直接集成到存储器中，具有低延迟、高带宽和低功耗等特性，使用PIM技术能够从本质上缓解存储墙问题。在过去的十几年里，全世界有不少大学或者研究机构着手启动研究这项技术，包括ActivePage，IRAM，HTMT，DIVA，FlexRAM，Blue GeneBG/C，Pim-lite和Gilgamesh等。可以根据这些PIM芯片在计算机系统中所起的作用而分为两类。一类是处理器芯片，方法是把将大容量DRAM和一个合适的处理器集成到一个芯片并充当处理器的地位。另一类是带计算能力的存储芯片，它是将PIM芯片代替原有的存储器芯片，从而为原有的计算机系统提供更强的计算能力，如IRAM，FlexRAM。然而，这些存储器芯片都由于满足不了现有存储器的时序协议而不能有效的集成到现有的数据处理系统中。

综上所述，目前急需一种易于集成到现有数据处理系统中的带数据处理能力的存储器装置，来补充或替换现有数据处理系统中的外存储器。通过在存储器中提供数据处理的能力，解决现有数据处理系统中日益严重的“存储墙”问题。

发明内容

本发明的目的是在现有技术基础上，针对现有存储器没有处理能力的不足，提供一种具有数据处理能力的DRAM存储器装置。该装置的接口与现有存储器接口一致，不经过任何硬件改动就可以有效的集成到现有数据处理系统中。该装置既能提供简单的程序和数据存储功能，又能在应用程序和操作系统的使用调度下，在存储器内部对数据进行处理，有效解决“存储墙”问题，达到提升性能、降低功耗的目的。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

设计一种具有新型结构，使DRAM具有强大的运算功能，用于加速数据处理系统的计算并提供存储功能，该装置包括：存储器接口、处理单元、处理单元控制接口、内部DRAM存储器、通信网络和内部DRAM存储控制器，存储器接口用来和外部存储器总线交互数据，同时与装置内的内部DRAM存储控制器及处理单元控制接口连接，处理单元与内部DRAM存储控制器通过通信网络连接，内部DRAM存储控制器同时还连接内部DRAM存储器。

所述存储器接口，主要负责处理外部DRAM存储控制器的各种访存命令，通过译码选择装置内DRAM存储器或者处理单元的状态与控制寄存器，同时还接收外部对具有数据处理能力的DRAM装置的操作命令以传送给相应的装置内DRAM存储器。所述处理单元，作为存储器装置中的具有数据处理能力的部件，用于加速数据处理系统中的各种应用。所述处理单元控制接口，接收各处理单元以及存储器接口对各处理单元的控制与状态寄存器的访问。所述装置内部DRAM存储器，用以存储数据处理系统的数据以及程序，可以采用嵌入式动态随机存储器(eDRAM)技术或其它存储器技术实现。所述内部DRAM存储控制器，接收来自存储器接口的访存命令及操作命令，同时负责处理来自通信网络上的访存请求。所述通信网络，承担数据处理单元对内部DRAM存储器的访存通路，并完成与内部DRAM存储控制器的协议转换。