一种基于新材料的外接的计算机加速设备的制作方法

一种基于新材料的外接的计算机加速设备的制作方法
【专利摘要】一种基于ReRAM(阻变存储材料)的外接的计算机加速设备，包含主控芯片及ReRAM模块，具备USB接口（USB3.0以上）来连接计算机，在阻变存储器中为计算机创建缓存文件，缓存系统与应用程序的常用文件以及预读频繁读写的零散文件，作为高速缓存。同时，设备驱动还对USB协议进行改善，对于传统的USB接口协议中的BOT协议进行优化，并在USB传输协议上做资源分配优化。设备的算法与架构还采用如下设计：1.对系统内存提供智能压缩与后台自动释放；2.通过对用户习惯进行长期监测，判断出系统即将使用的数据，预存在设备中；3.多通道模式，阵列模组集成多块ReRam芯片并采用多通道主控；4.设备将应用程序进行虚拟化处理，从而预存所有程序文件与程序所需系统环境文件在设备中。
【专利说明】一种基于新材料的外接的计算机加速设备
【技术领域】
[0001]该产品属于计算机设备领域。是一种基于新材料与新架构的电脑加速设备。
【背景技术】
[0002]计算机的更新换代非常快，而产品型号众多，设备种类繁多，年代跨度大，系统平台复杂，目前暂时缺乏有效的通用型升级解决方案。
[0003]1.为什么需要电脑加速型功能的产品
技术的发展总把硬件甩在后面。电影变高清，系统出Win8，游戏的最低配置纷纷变四核了，微软新推出的0ffice2013就要占掉2G内存。升级电脑成本很高，一般都要数千元。目前，这种升级是一个棘手的问题，现有的解决方案一般是升级电脑配新机器，不但花费近万，而且旧机器从此闲置成为占空间的电子垃圾，或者也有不少用户自行购买零配件来拆机换部件，技术要求较高，难度也很大，比如换CPU，换硬盘不但需要准确接驳机箱中的各种数据线与插口，还需要导出旧硬盘的数据并重装系统与各类软件，一般用户根本不会。而且成本依然居高不下，与主板的兼容性也存在很大问题。
[0004]也有一些软件可以优化电脑系统，比如360优化大师，加速球，但是这些都没有在实质上改善硬件能力，只是清理电脑缓存垃圾等，和很多人常说的电脑用久了就重装一下系统可以变快很类似。本身并没有增强计算机的性能。
[0005]2.电脑加速的瓶颈在哪里？在于硬盘的速度
近十年来，CPU和内存的性能提高了 100多倍，但硬盘的性能只提高了两倍。整个数据处理的瓶颈，就在硬盘上。只要能打通这个瓶颈，信息传输就走上了 “高速公路”。
[0006]正因为此，固态硬盘才被用于取代机械硬盘。固态硬盘(Solid State Disk)用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘，由控制单元和存储单元组成。固态硬盘的接口规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘的完全相同，在产品外形和尺寸上也完全与普通硬盘一致。基于闪存的固态硬盘是固态硬盘的主要类别，其内部构造十分简单，固态硬盘内主体其实就是一块PCB板，而这块PCB板上最基本的配件就是控制芯片，缓存芯片(部分低端硬盘无缓存芯片)和用于存储数据的闪存芯片。除了主控芯片和缓存芯片以外，PCB板上其余的大部分位置都是NAND Flash闪存芯片了。
[0007]固态硬盘没有普通硬盘的电机和旋转介质，因此启动快、抗震性极佳。固态硬盘不用磁头，磁盘读取和写入速度快，延迟很小。读写速度一般可以达到100M每秒以上。准确的说，预期速度在138M每秒左右，其计算方式如下:在不采取任何加速措施的情况下，Flash典型的读时序由命令和数据部分组成，读时间为78us，因此典型的读带宽为216Mbps。Flash的写时序主要可以分为3个阶段:命令阶段(Command),通过命令字设置写入过程的开始和结束，并设置页面地址；数据阶段(Data)，将数据加载到Flash的数据缓冲中；编程阶段(Program)，将数据缓冲中的数据真正编程到Flash阵列中。典型的写周期最小为25ns，编程时间在220us-500us左右，因此其写入时间为275us，最大带宽为61.4Mbps。对于一个典型的应用，有50%的读和50%的写，则综合速率为216X 50%+61.4X50%=138.7Mbps。当然,入门级固态硬盘还达不到此速度。
[0008]虽然速度比起机械硬盘那还是快不少，但是坏处也是很多的，比如价格贵，容量小，电池航程较短，写入寿命有限等等。关键是价格贵容量小，确切的说是不贵的就容量小，五百元左右的入门级金士顿SSD NOff只有32G容量。容量大的就价格贵，同样是ITB的大小，机械硬盘200元左右，固态硬盘至少五千。因此在新的出厂的电脑中，固态硬盘也仍然没有取代机械硬盘。[0009]而且老电脑升级主要要考虑可行性，以及性价比，这两个方面。可行性上:首先是兼容性问题。早期的主板并不支持固态硬盘。具体地说，90年代到2010年期间的主板基本上都不能够支持固态硬盘。就可行性而言:首先对于绝大多数老电脑来说，安装SSD是无效的，因为11年以前的电脑根本就不支持SATA 2协议，更别提SATA3 了，主板接口最大支持速度就是100M每秒的普通IDE或者SATA硬盘协议，根本无法用SSD获得加速效果。而更换主板几乎不可能。其次，依然是不方便，一般的用户并不擅长自己更换硬盘，更换硬盘尤其意味着更换整个系统，拷贝所有的文件，重装各种驱动，消耗至少一两天的时间。再者，SSD设置复杂，只有在Win7或者Win8下才可以超过普通硬盘速度，XP不识别SSD的Trim指令、4k对齐以及ACHI。不但不能加速，还会无法使用电脑，在大多数情况下会蓝屏、死机，原因您可以参考计算机医生网的分析。可是如果给老电脑装Win7的话，CPU和内存吃得消吗？
就性价比而言:第一就是价格高，固态硬盘的入门级32G-64G的价格都要五百元左右，可是64G在安装Win7系统与Office之后就基本没有剩余空间了。而入门级128G的价格就已经逼近千元。升级旧电脑来说这个成本已经不值得。第二就是寿命短，固态硬盘一般都是MLC闪存，其寿命在得不到正确保养下很短。而开启Trim，4k对齐等保养措施一般客户不会。
[0010]最重要的是，即使采用固态硬盘，数据速度依然与内存速度有十倍的差距！
目前最常用于SSM的半导体存储介质是DRAM(Dynami cRandomAccessMemor y)和N AN D Flash.其中，D R A M的存储密度相对较低，且具有易失性，需有定期刷新机制以维持数据信息，因此以D R A M为介质的固态存储器的容量极为有限，在新型存储设备中应用较少，我所知的有一个案例是空间太阳望远镜的星载固态存储器，见参考文献I。而N AN D F I a s h是基于与非门的闪存芯片，存储密度较高，同时其数据在断电后依然能够保持，应用非常广泛.但它的控制逻辑比较复杂，直接访问速度较低，如何根据N AN D F I a s h的特征实现存储阵列的高速访问是目前学术界和工业界亟待解决的问题。当然，固态存储系统的存取速率慢的问题，也已经引起了重视。目前常用的优化技术主要有缓存和并行读写技术，见参考文献2。并行技术即通过增加总线宽度的方法来提高存取速度，现有的S SM解决方案主要包括例如SAMSUNG、Toshiba, SANDIS K等厂商推出的基于N AN 0?1&311的25603的大容量固态存储器，其读写速度最高可达2 O O~2 2 O MB / s，但大容量闪存造成成本高昂，且这个速度由于受到总线宽度的限制，已经是极限。缓存技术采用SRAM等高速静态缓存材料，然而SRAM是作为CPU缓存用的，电路复杂，03年之后就不用于内存了，2M大小就在200元左右，32M就要2000元左右，这意味着高昂的成本，比升级个人计算机更高的成本，从而使得这些技术局限在企业应用与服务器应用市场。[0011]3.那么目前是否有其他的低成本高效果的技术方案来解决硬盘速度的瓶颈？ 当前也有用其他设备来加速电脑的尝试。目前所知的就是英特尔的迅盘:迅盘是一块
PC1-E接口的扩展卡，搭载有一块或两块NAND闪存，作为一个Mini PC1-E Ix规格的扩展卡，通过PC1-E总线与系统I/O控制器进行数据交换。迅盘所采用的闪存模块为NAND，而并非N0R，这是由于NAND在存取数据的性能方面要优于N0R，且具备更好的性价比。
[0012]在系统的支持下,可提供ReadyBoost和ReadyDrive功能,这些功能将直接对系统在启动、休眠、安装程序、拷贝文件、载入游戏等有关磁盘操作的任务上进行性能提升。官方资料表明，迅盘可以使开机速度加快20%，同时减少硬盘转数以节省功耗。
[0013]ReadyBoost 功能简介:
当ReadyBoost确定闪存内的缓存比硬盘内的缓存更能满足随机读取需求时,它便会从闪盘介质内随机读取数据。硬盘会一次性的批量读出大量数据，并暂时储存在迅盘中，供系统随时调用；同时需要写入的数据也先暂存在迅盘中，等积累到一定数量后再统一写入到硬盘中，这种随用随取的读/写机制对提高系统性能很有帮助。在这段时间里，硬盘处于闲置状态，而且迅盘的容量越大，硬盘闲置的时间越长，从而减少机械转动次数和电量消耗，延长笔记本电池的续航时间。
[0014]ReadyDriver 功能简介:
ReadyDrive事实上就是微软对混合硬盘(带有内部闪存部件的硬盘)的称呼。这种硬盘除了闪存显而易见的随机访问速度优势外，最大的诱惑还是在于其中保存的数据“立等可取” 一因为对于闪存而言，既不需要启动磁头，也不用等待磁头转动到合适的位置。Hybird硬盘的启动、休眠、睡眠速度更快，而且功耗更低。因为当操作系统读写缓存时，驱动器本身可以暂时停止工作，不消耗任何电力。而从休眠状态恢复运行时，笔记本电脑也能够马上从缓存中读取数据开始工作，而不用像往常那样，先得等待驱动器的磁头启动起来。
[0015]在迅盘的驱动程序中可以看出，使用者可以通过软件界面设定该模块提供ReadyBoost> ReadyDrive功能,还是两者兼具。
[0016]但是，迅盘依然不是一个有效的升级方案。也正因为此，现在已经不太有人提起。其失败的主要原因在于:1.不能用于台式机，也不能用于绝大多数笔记本。所有上网本以及多数笔记本电脑均不支持迅盘模块，因为这不仅要求笔记本电脑提供一个额外的MiniPC1-E插槽，同时更重要的还要求笔记本电脑的SATA接口支持ACHI功能；2.安装复杂，一般用户并不会拆机安装mini PC1-E，以至于无法用于旧电脑升级；3.效果不好。PC1-E总线的速度本身被限制在150M每秒以下，而英特尔的NAND闪存则还远达不到这个速度，实测在35M每秒的随机读写速度，对硬盘提升不大，比固态硬盘还不如；4.价格昂贵。4G的迅盘定价就在100美元；5.系统兼容性差。这一点本身就足以排除迅盘用于给旧电脑加速的可能了。无论Readydrive还是Readyboost都只能用于Windows Vista以上的操作系统，而旧电脑绝大多数都是XP的操作系统，也只能在XP下流畅运行。

【发明内容】

[0017]因此，在本发明中，一种基于新材料专门设计的用于加速电脑的外接式硬件设备被提出。
[0018]听起来似乎很荒谬，但是随着新材料的出现，电脑对外数据通信速度的日益提升以及云计算的发展，这是完全可以做到的，在我们后面制作的样品中，也基本达到了设计目的。
[0019]为了有效提升旧电脑的性能，并同时满足简易的安装使用能力与需求，本发明采用了如下方案:一种即插即用的USB接口(USB3.0以上接口)的电子设备，该电子设备的包含有主控芯片以及ReRAM (Resistive random-access memory)阻变存储器模块。样本利用了在24nm制程下生成的32G的ReRAM芯片两块，以双通道主控工作。对于不具备USB3.0的电脑，如是台式机则可以从PCI接口转接出USB3.0，如是笔记本则可以从ExpressCard接口转接出USB3.0，这两种转接卡一般都只要几十元，从而具备普适性。该设备的工作原理为:设备通过USB接口与计算机连接，在阻变存储器中为计算机创建缓存文件，缓存系统与应用程序的常用文件以及预读频繁读写的零散文件，利用阻变存储器的高速随机访问以及快速读写速度，减少计算机系统对硬盘(包括基于NAND的固态硬盘)的访问，为计算机提供加速并提升I/O性能。
[0020]同时，设备的驱动还对USB协议进行了改善，对于传统的USB接口协议中阻碍快速数据传输的BOT协议(Bulk-Only Transport)进行优化,在USB传输协议上做了资源分配优化，配置更多系统资源给设备，并且支持类似NCQ的多任务传输功能，大幅提升多QD下的随机读写速率。
[0021]设备的算法与架构还采用了如下设计:1.对系统内存提供智能压缩与后台自动释放，从而避免计算机因内存不足调用虚拟内存而增大对硬盘的读写；2.通过对用户习惯进行长期监测识别，判断出系统即将使用哪些数据，预存在设备ReRAM模块中，CPU将直接从设备中获取数据，再将其转入内存中，从而减少对硬盘的读写；3.双通道模式，该阵列模组将2块32G的ReRam芯片集成在一起，并采用双通道主控，从而能够以双通道模式工作。作为一个逻辑磁盘组，将数据以分段的方式存储在这个逻辑磁盘组的不同物理磁盘上，进行数据存取时，阵列中的相关磁盘并行工作，减低数据存取的时间，从而达到和RAID O (磁盘阵列O)相同的加速效果，使读写速度更快。
[0022]另外很重要的一点是，设备将应用程序进行虚拟化处理，从而预存所有程序文件与程序系统环境文件在设备中。(虚拟化原理有多种，主要是利用沙盒的虚拟化技术，先把应用程序安装到运行中所有的动作都记录起来并处理成本地的文件，当执行主程序文件时，它会临时产生一个虚拟环境来执行，类似影子系统一样，一切涉及的操作都是在这个虚拟环境中完成，并不会去动原本的系统。这样处理后所有的调用文件都在应用程序的存放目录，也就是ReRam模块或SLC NAND闪存模块下，而不会安装到硬盘。)这一处理最彻底地避免了程序使用中的硬盘读写。
[0023]这样做是为了实现更快的程序运行、更为简单的程序安装与操作、更强大的系统运行能力，并具有广泛兼容性的系统程序运行能力。使得该应用程序可以无需安装，直接以即插即用的形式在计算机运行，并且是高速运行。而后设备再将该应用程序以数据形式导入到服务端。这种做法还减少了系统服务项，尤其是大大减少了计划任务项，扩展加载项与开机启动项，从而在增强系统应用功能的同时达到系统优化。
[0024]设备方案见说明书附图1.关于几个关键问题的说明如下:
1.为什么使用ReRAM ? 电脉冲触发的可逆电阻开关效应的电阻式随机存储器(R e RAM，阻变存储器)是下一代高速高密度非挥发性随机存储器的强有力的竞争者之一.R e RAM具有制备工艺简单，读写速度快，存储密度高，非挥发性以及与硅集成电路工艺兼容性好等优势。见参考文献3.R e R A M存储器的结构十分简单，为两层金属薄膜中间夹一层绝缘层的三明治结构，中间的绝缘层一般为金属氧化物薄膜.当在这样的Re RAM存储器两端施加一个电压脉冲时，根据脉冲的高度、宽度和极性，R e R AM器件中绝缘层的电阻率可以发生几个数量级的可逆变化，即R e R A M的电阻可在高阻态和低阻态之间发生可控可逆的变化，这就是所谓的电阻开关特性。利用这种电阻开关变化特性可以制作理想的存储器.首先，R e R A M的电阻转换过程非常快(纳秒级)，因此R e RAM可以用作高速R AM.其次，如果不施加电压，R e R AM的电阻特性可以在很长的时间内保持其状态不变(?I O年)，因此R e R AM是一种非挥发性存储器，除了读取以及存储周期外，R e R AM几乎没有能耗.第三，R e RAM的尺寸可以小至光刻技术的特征线宽，因此其尺寸比其他存储器如磁存储器(MR AM)、M O S存储器的小得多，所以存储密度可以比其它R A M高I到2个数量级，而且R e R A M可以实现多层堆积结构，因此可进一步提高存储密度.第四，R e R AM制作工艺简单，不需要常规R AM器件过程中涉及的掺杂工艺及导电类型控制工艺，而且制作工艺与硅集成电路工艺的兼容性很高. 申请人:认为，随着ReRAM的工业化生产,新的计算机会减少一种核心部件。从传统的CPU,内存，硬盘这个三核心模式变成只需要CPU与硬盘的双核心模式。ReRAM在速度上与DRAM内存不相上下，在存储能力上则比目前的NAND更强，如果用ReRAM制造新型的固态硬盘，则可以融合内存与硬盘，数据直接读取出来进入CPU即可；但是对于原有的旧电脑的升级，则会从三核心模式变成包括外接基于ReRAM缓存的加速设备的四核心模式。依靠ReRAM材料的速度与非易失性作为高速缓存，从而提升从硬盘数据到内存与CPU的速度。为被升级的电脑提供的第四个核心部件。
[0025]2.为什么要采用外接USB方式而不是内置的SATA方式？
很显然，USB即插即用是最方便也最简单的使用方式，兼容性最高，几乎所有电脑都有USB接口。任何内置接口都不方便使用，也不会被社会大众采纳。那么USB接口的速度会收到影响吗？实际上只要进行如下的分类讨论就很明显了。
[0026]对于2009年以前的电脑，USB接口一般为USB 2.0，速度带宽480M每秒，相当于最高数据传输为60M每秒。看起来不高。但是，09年以前的电脑没有固态硬盘，一般的机械硬盘的随机数据存取速度都小于20M每秒，一般在IOM每秒左右，远低于USB2模式的60M带宽。只要能够对USB协议进行优化，利用满60M的速度，可以加速接近6倍！(在下面介绍的实际生产样品中，在USB2下的速度就达到了 57M每秒)
而对于有USB3的电脑，则USB3的速度实际上大于SATA 3。先以带宽来看，USB 3.0提供了 5Gbps(625MB/s)的大小，虽然SATA III的6Gbps账面带宽较大，不过因为传输架构的换算方式并不相同，因此换算成MB/s时仅为600MB/S，在理论值上会比USB 3.0的625MB/s来得小，更不用说是SATA II的3Gbps (300MB/s)了。再以方便性来讨论这两者，USB是每台计算机不可或缺的端口，USB 3.0不但可以向下兼容、拥有即插即用的便利性，在供电方面更从500mA增加到了 900mA，而造就了其相当大的优势。[0027]3.为什么要修改USB协议？
USB以往就一直存在相当严重的带宽利用率低下的问题，USB 2.0的带宽为480Mbps(60MB/s)，但就算实际使用传输速度高达lOOMB/s以上的优盘也无法用到完整的带宽，速度上限仅有约一半的33MB/S左右，这是因为USB的半双工传输模式与BOT (Bulk OnlyTransfer)传输协议所导致的关系。半双工的数据传输方式就像是对讲机，当一方按下发话钮时另一方只能收听声音，必须等待对方说完才可以按下发话钮进行发话，也就是说半双工的模式虽然提供了双向数据传输的功能，但是数据的传输方向仅有单向而已。而BOT协议则是一种单线程的传输架构，必须等待一笔数据区块完整送达之后才能够发送出下一笔数据，也就是说不论这条马路有多宽，但是就只能够允许一台车子在这条马路上行驶，这样的方式根本没有办法有效纾解后方庞大的车流量，而会造成资料区块「塞车」的情形发生。而当USB提升到3.0的规格，虽然使用了额外的五个接点，改为全双工的数据传输模式，可以同时进行双向的数据传输，带宽比起上一代也提升了有十倍之多，不过其传输架构还是在BOT之下，因此我们必须予以优化加速。
[0028]BOT的加速模式在上述的比喻下就很好理解了:既然在BOT的架构之下，马路上就只能够有一台车在行驶，一个人开是一台，小客车坐满5个人也是一台，大型客运坐满50人也还是一台，在要运送一定数目的人数时，每次都是大型客运在路上行驶，就可以减少许多车流量了。所谓的USB Turbo模式就是基于这样的原理来设计的，将数据整理成较大数据区块再进行传送，而且不论何种储存媒体，对于大档案的处理能力总是比小档案要来得好，因此使用这种方式可以显著提升数据传输速度。
[0029]本发明的本意是用新材料为旧计算机添加第四个核心部件，从而以高速的USB接口速度作为新的数据传输瓶颈(625M每秒)，以预存缓存的模式代替硬盘。
[0030]从实质上来说，一个完整的计算机原本就是各个电子元器件组成的系统，其性能依赖于各个元器件本身的数据处理能力以及元器件之间的数据传输速度。DDR3内存的数据读取能力在800M每秒，而DDR2 667内存的数据读取能力在333M每秒，传统硬盘的小文件读取和随机读取都在10-15M每秒，成为实际上的数据速度制约。采用ReRAM(约700M每秒数据读写速度，尤其擅长随机访问)作为USB3.0外接缓存，将小文件读取和随机读取都转移的话，这个数据瓶颈就从10-15M每秒上升到625M每秒的USB3.0速度上限。
[0031]4.为什么要虚拟化系统程式？
虚拟化将系统环境也虚拟化成一系列的文件形式，在运行的时候启动。这就将程序运行的所有所需读写都转移到程序所在目录，也就是外接的ReRAM芯片中，不会再需要系统盘的读写。对于本设备而言，意味着被加速电脑的硬盘将不再运行程序文件或程序调用的系统文件，所有这些都在外接的ReRAM芯片中运行。这一处理最彻底地避免了程序使用中的硬盘读写，否则在应用程序运行过程中不可避免对硬盘依然会有读写。
[0032]同时，这样做是为了实现更快的程序运行、更为简单的程序安装与操作、更强大的系统运行能力，并具有广泛兼容性的系统程序运行能力。使得该应用程序可以无需安装，直接以即插即用的形式在计算机运行，并且是高速运行。而后设备再将该应用程序以数据形式导入到服务端。这种做法还减少了系统服务项，尤其是大大减少了计划任务项，扩展加载项与开机启动项，从而在增强系统应用功能的同时达到系统优化。
[0033]本
【发明内容】
的有益效果 相比于传统的电脑升级，本设备具备如下优点:1.操作简单:升级老电脑往往需要拆机换内存换硬盘，如果要加快速度还要动手焊主板换CPU，忙活一两天还常常倒腾坏，或出现蓝屏，各种接口之间的兼容性问题也绝非一般用户搞得清楚的。最妥当的办法是自己当搬运工将电脑抱到电脑城去现场升级，但价格很高，猫腻很多，常常被偷换部件。用加速棒只需要安装驱动插上电脑点击几下就可以完成。
[0034]2.效果较好:对于USB2.0的普通机械硬盘的电脑，程序启动运行速度可以提升3-6倍，对于USB3.0的较新机械硬盘或混合硬盘的电脑，程序启动运行速度可以提升10-20倍，对于USB3.0的固态硬盘的电脑，程序启动运行速度可以提升2-3倍.(此外，其实对于一般的电脑，都可以从PC1-E或者ExpressCard转接出USB3.0，相比于原装的USB3.0，这些转接出的USB3.0速度较低，数据传输大约在150M每秒)。
[0035]3.成本低廉:ReRAM的制程更低,样本是24nm的，几年内工业可以达到20nm制程，容量更大，因此单位容量生产成本比NAND闪存更低。加速棒的硬件生产成本有望降低到一百元以下。
[0036]本
【发明内容】
的实施案例
本发明已经生产出样品。样品上预装了 24nm制程的双层的基于MeOx制造的32GbReRAM存储模块高速缓存区，并用USB3.0接口进行高速通信，作为本地系统的随机存储区达到加速、提升缓存性能的目的。在USB3.0接口下，其测试读取为550M每秒，写入为380M每秒，已经远远超过固态硬盘的速度，逼近内存速度，缓存速度提升了 5倍，对于系统加速效果十分明显。见附图2所示。
[0037]设备在与计算机连接后会自动进行USB协议优化，实现BOT Turbo模式，并分配更多资源给设备，改变USB传输协议之后原本只支持单线的缓存交换，变成可同时处理多重缓存任务读写，类似硬盘NCQ技术，更充分发挥了设备作为系统新内存的作用。优化前USB2接口速度为35M每秒左右，优化后达到57M每秒，优化前USB3接口速度在260M每秒左右，优化后才达到550M每秒的。可见这一工作十分重要。
[0038]设备的算法与架构包括了: 1.对系统内存提供智能压缩与后台自动释放；2.通过对用户习惯进行长期监测识别，判断出系统即将使用哪些数据，预存在设备中；3.双通道模式，阵列模组集成2块ReRam芯片并采用双通道主控；4.设备将应用程序进行虚拟化处理，从而预存所有程序文件与程序所需系统环境文件在设备中。
[0039]用户只需要插入电脑并安装驱动便可以开启上述功能了，见附图3所示。
[0040]设备还具有图形界面的控制台，提供智能化的自动管理与控制，可以选择性的载入通道与分区。见附图4所示。新增加的ReRAM外接‘内存’可以通过控制面板查看与管理。其他详细介绍如下。
[0041]1.样品使用材料
两块双层的130.7平方毫米大的基于MeOx制造的32Gb ReRAM存储模块。采用的该模块接口完全兼容老式的NAND界面，也就是说，可以直接用原来的闪存主控。阵列架构以及晶体单元的STEM图像示于附图5中。
[0042]其中二端单元与二极选择器单元层叠在支持CMOS的电路上。存储芯片阵列被划分成16片，每片含128块，每块分为4列。WL驱动器被放置下，而BL的驱动则位于列之间。该模块不同于先前的一些模块[参考文献4]的是，在先前的模块中只有选择晶体管处于存储器阵列下方，而在样品芯片中，阵列控制电路，读出放大器，页面缓冲和电压调节器驱动器都被放置在存储器阵列下，且阵列的片与片之间共享读出放大器和页面缓冲，见附图6所示。该结构能提高阵列效率，达到更高存储密度。该芯片的模具显微图见附图7所示，剖视图见附图8所示。
[0043]在先前的工作[参考文献4、5]中，其生产出的ReRAM芯片的写入速度为443M每秒，读取速度达到2.3GB每秒。样品的读取速度为2.8GB每秒，写入速度略低，为389M每秒，但均已经接近于DDR3内存的实际数据速度。(注:实际数据速度与带宽之间存在换算关系。)因此，基本可以认为已经超出了 USB3.0的带宽。
[0044]2.样品硬件架构
在样品上，我们测试了两个主控方案，一个是银灿IS903双通道主控芯片，搭载两块32G的ReRAM存储模块，属于双贴双通道方案。方案一在USB3.0接口下，其测试读取为550M每秒，写入为380M每秒，已经远远超过固态硬盘的速度，逼近内存速度，缓存速度提升了 5倍，对于系统加速效果十分明显。(采用的ReRAM存储模块本身的读取速度在3G每秒左右，样品的情况属于不理想的读取速度，应当是收到主控的限制造成的。)
另一个方案使用的就是部分高端固态硬盘采用的Marvell 9187主控。Marvell88SS9187的主控的闪存接口支持8通道，每通道200MT/s带宽，每根通道硬件支持4CE，靠外部解码器和内部编码模式可以扩展到支持到最大16CE。可惜该主控在测试未能实现USB3.0协议输出，暂时用了 SATA转USB3的转接线完成测试。
[0045]Marvell 88SS9187接口带宽为200MT/s，每通道硬件支持4CE。使用了 8片32G的ReRAM存储模块构成了 RAID阵列。本来样品拟提供由8片的8G SLC NAND组成的八通道二级缓存，因体积原因也就没有用，且似乎也并无必要。方案二在USB3.0接口下，其测试读取为620M每秒,写入为590M每秒,效果更好,但差别不大。
[0046]只要方案一改进主控，效果便充分达到USB3的上限了。未来必定会有专门针对ReRAM的主控而不需要用兼容NAND主控。
[0047]3.样品采用的虚拟化方案
样品设备支持两种虚拟模式，模式1，如果用户在开机的时候按下F12选择USB启动，则操作系统都会采用样品中预先封装的系统，这种情况下速度最快，相当于直接屏蔽了原计算机中的硬盘。该系统下通过如下方案使得用户依旧可以安装程序保存工作等，实现日常系统的工作，效果见附图9。
[0048]模式2，如果用户正常开机，不进入设备预载的系统，则会进入原计算机系统，但此时用户可以直接用设备中预载的数千款已经虚拟化的常用程序，或者将本机应用程序进行虚拟化处理，从而预存所有程序文件与程序系统环境文件在设备中。(虚拟化原理前面已经阐述了，主要是利用沙盒的虚拟化技术，先把应用程序安装到运行中所有的动作都记录起来并处理成本地的文件,当执行主程序文件时,它会临时产生一个虚拟环境来执行,类似影子系统一样，一切涉及的操作都是在这个虚拟环境中完成，并不会去动原本的系统。这样处理后所有的调用文件都在应用程序的存放目录，也就是ReRam模块或SLC NAND闪存模块下，而不会安装到硬盘。)这一处理最彻底地避免了程序使用中的硬盘读写。
[0049]4.样品其他测试
在生产出的该样品上，还具备有3G网络模块，设备和远程服务器一云主机通信，用户通过设备将程序安装到远程服务器，然后由远程服务器的云计算来分担本地宿主计算机的程序运行、游戏运行等计算任务，在本地计算机上显示用户界面。为实现该目的，设备还可能包含了或更高速的网络模块，用于和远程服务器传输数据，而无需借用宿主计算机的网络，从而可以在网络环境不好的地区实现云计算功能。在样品上，云主机四核配置3.53GHz主频8M缓存(Intel Xeon Processor E3-1270),采用了思科XenApp技术,让用户将程序安装在远程服务器上，然后通过设备上的客户端打开就能在任何一台本地电脑上操作，不占用本地电脑的CPU，可以轻松在老电脑上运行使命召唤等大型游戏，以及运行0ffice2013等大型应用。见附图10所示。
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[0055]【专利附图】

【附图说明】:
图1.设备的原理图。
[0056]图2.样品设备的使用效果图，加速5-10倍。
[0057]图3.样品设备的使用操作图，USB即插即用。
[0058]图4.样品设备的使用中加速内存控制台界面。
[0059]图5.样品设备的ReRAM芯片阵列图。
[0060]图6.样品设备的ReRAM芯片页面缓存与放大器共享示意图。
[0061]图7.样品设备的ReRAM芯片Die显微图。
[0062]图8.样品设备的ReRAM芯片剖面图。
[0063]图9.从样品设备以USB启动即插即用的XP系统并安装运行office的测试图，进入系统仅仅花了 7秒钟。这是由于系统装在外接的ReRAM存储区的缘故。Win8企业版也支持USB启动。
[0064]图10.样品设备的使用中应用程序在云主机运行，操作界面返回到本地的测试图。
【权利要求】
1.一种即插即用的通用串行总线接口(且为USB3.0以上接口)的电子设备，该电子设备的包含有主控芯片以及ReRAM阻变存储器模块，且该设备的工作原理为:设备通过USB接口与计算机连接，在阻变存储器模块中为计算机创建缓存文件，(缓存文件可以包括:系统与应用程序的常用文件、预读频繁读写的零散文件、随机数据等)，利用阻变存储器的高速随机访问以及快速读写速度，减少计算机系统对硬盘(包括基于NAND的固态硬盘)的访问，为计算机提供加速并提升I/O性能。
2.根据权利要求1的一种设备，其特征在于，设备的算法与架构还采用了如下设计:对USB协议进行改善，例如对于传统的USB接口协议中阻碍快速数据传输的BOT协议进行优化，在USB传输协议上做了系统资源分配的优化，提供更多资源给USB设备，并且支持类似NCQ的多任务传输功能，大幅提升多QD下的随机读写速率。
3.根据权利要求1的一种设备，其特征在于，设备的算法与架构还采用了如下设计:对系统内存提供智能压缩与后台自动释放，从而避免计算机因内存不足调用虚拟内存而增大对硬盘的读写。
4.根据权利要求1的一种设备，其特征在于，设备的算法与架构还采用了如下设计:通过对用户习惯进行长期监测识别，判断出系统即将使用哪些数据，预存在根据权利要求1的该种设备中，CPU将直接从设备中获取数据，再将其转入内存中，从而减少对硬盘的读写。
5.根据权利要求1的一种设备，其特征在于，设备的算法与架构还采用了如下设计:多通道模式，阵列模组集成多块ReRam芯片并采用多通道主控——具备可选的阵列模组，该阵列模组将多块ReRam或3D V-NAND芯片集成在一起，并采用多通道主控，从而能够以双通道或多通道模式工作，例如，多个物理芯片组成一个阵列，作为一个逻辑磁盘组，将数据以分段的方式存储在这个逻辑磁盘组的不同物理磁盘上，进行数据存取时，阵列中的相关磁盘并行工作，减低数据存取的 时间，从而达到和RAID O (磁盘阵列O)相同的加速效果，使读写速度更快。
6.根据权利要求1的一种设备，其特征在于，设备的算法与架构还采用了如下设计:具备两重缓存，除了 ReRAM阻变存储器模块之外还具有SLC NAND闪存模块，以ReRAM阻变存储器模块为一级缓存，SLC NAND闪存模块为二级缓存。
7.根据权利要求1的一种设备，其特征在于，设备的算法与架构还采用了如下设计:设备将应用程序进行虚拟化处理，从而预存所有程序文件与程序系统环境文件在设备中——虚拟化原理有多种，主要是利用沙盒的虚拟化技术，先把应用程序安装到运行中所有的动作都记录起来并处理成本地的文件，当执行主程序文件时，它会临时产生一个虚拟环境来执行，类似影子系统一样，一切涉及的操作都是在这个虚拟环境中完成，并不会去动原本的系统，这样处理后所有的调用文件都在应用程序的存放目录，也就是ReRam模块或SLCNAND闪存模块下，而不会安装到硬盘，这一处理最彻底地避免了程序使用中的硬盘读写。
8.根据权利要求1的一种设备，其特征在于，设备和远程服务器通信，用户通过设备将程序安装到远程服务器，然后由远程服务器的云计算来分担本地宿主计算机的程序运行、游戏运行等计算任务，在本地计算机上显示用户界面:为实现该目的，设备还可能包含了3G网络模块或更高速的网络模块，用于和远程服务器传输数据，而无需借用宿主计算机的网络，从而可以在网络环境不好的地区实现云计算功能；如果只是将用户界面以及键盘，鼠标动作和屏幕的更新信息，通过3G模块用3G网络在本地计算机和服务器之间传递.传递的是键盘，鼠标动作和屏幕的更新信息，是图片增量变化的那部分信息，一般情况下，这种变化的信息只有几K到几十K而已，3G网络是没有问题的。
9.根据权利要求1的一种设备，其特征在于，该设备还为本地计算机提供了安全验证机制的升级，通过将该设备的硬件指纹(闪存、显卡、通讯模块等均有硬件指纹)和用户自行设置的密码组合作为加密机制，为电脑提供类似U盾的文件防护、计算机锁等功能。
10.根据权利要求1的一种设备，其特征在于，设备还提供即插即用的操作系统，可以通过设置BIOS从USB接口启动该设备预装在非易失存储区内的操作系统。
【文档编号】G06F9/445GK103500075SQ201310472373
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年10月11日 优先权日:2013年10月11日
【发明者】张维加 申请人:张维加