一种可扩展速度与性能的电路装置.pdf

一种可扩展速度与性能的电路装置。包括中央板和扩展板。中央板为计算核心，通过表面带电路触点的凹凸卡口连接槽与扩展版平行地嵌合，同时通过DIMM接口或USB接口与计算机连接。中央板上包含一个设备控制器，如集成接口桥接和RAID控制的运行控制器，及2个以上SSD主控，一般为2-8个，假定为N个，以及对应数目的缓存颗粒。卡口连接槽数量为N的倍数，与SSD主控通道数有关。扩展板上包括扩展部件，如非易失存储或内存颗粒等，扩展板与中央板对应的卡口连接槽扣合之后应当能够将电路触点针脚连接上，构成完整的电路，之后通过中央板的控制器以并行计算与RAID的方式叠加扩展板上的存储或计算性能。卡口连接槽可以是矩形凹凸设计，电路触点布置在长边两侧。

权利要求书
1.  一种电子设备，包含中央板和扩展板：中央板通过表面带电路触点的连接槽与扩展板平行地嵌合，同时通过DIMM接口或USB接口与计算机连接；中央板上包含一个设备控制器，如集成了接口桥接和RAID控制的运行控制器，及2个以上固态硬盘主控，一般为2至8个，假定为N个，以及对应数目的缓存，可以是DRAM缓存颗粒或内置于主控的SRAM缓存；相应地，扩展板上包括扩展的非易失存储部件，比如NAND闪存芯片，或ReRAM等，扩展板与中央板对应的卡口连接槽扣合之后应当能够将电路触点针脚连接上，构成完整的电路，之后通过中央板的控制器以并行计算或RAID的方式叠加扩展板上的存储或计算性能（注：中央板只有一块，是计算核心层，但扩展板的数目没有限制，可以是一块、两块，也可以是更多，以中央板为核心，可以一层层叠加，通过中央板的控制器以并行计算或RAID的方式叠加扩展板上的存储或计算性能）。

2.  根据权利要求1的一种设备，其特征在于，运行控制器和存储控制器均采用多通道架构，并运行在多通道模式，可以通过如多核心处理器作为主控并组成多通道存储芯片阵列的方式等办法实现。

3.  根据权利要求1的一种设备，其特征在于，卡口连接槽设计是长方形凹凸设计，电路触点布置在长边两侧。

4.  根据权利要求1的一种设备，其特征在于，设备的扩展板上还提供额外的DRAM缓存。

5.  根据权利要求1的一种设备，其特征在于，设备采用DIMM接口，直插内存插槽，包含一个带DIMM接口的中央板和一块扩展板，中央板正面包含运行控制器，控制A区，和控制B区：控制A区正面有一块SSD主控作存储器主控，正面还有一个DRAM颗粒作缓存，控制B区正面含有一块同样的SSD主控作存储器主控，以及一个同样的DRAM颗粒作缓存，控制A区的正面和控制B区的正面的2个存储控制器和缓存将分别属于并控制2个不同的磁盘，中央板背面有2-8个电路连接槽，控制A区与控制B区各对应一半，比如每个连接槽对应并负责一个数据通道的跨电路板布线连接；扩展板，也就是存储通道板，包含非易失存储芯片的阵列，如SLC NAND闪存或ReRAM存储材料，这些非易失存储芯片分布在通道版的正反面，扩展板通过2-8个电路连接槽与中央板连接（磁盘与主控的数据通道数越多，速度越快，对应的连接槽也越多），凹凸的插槽扣合上后针脚针脚就可以实现连接；当中央板与扩展板通过电路连接槽扣紧之后，电路触点彼此连接，实际上就构成了折叠起来的2块多通道的固态硬盘，这两块固态硬盘组成RAID0工作，通过DIMM与CPU直接交换数据，理论上速度可以达到一般固态硬盘的2倍到8倍。

6.  根据权利要求5的一种设备，其特征在于，设备将DIMM接口更改为USB或Thunderbold接口来连接到计算机等计算设备，相应地，桥接与运行控制器兼容USB或Thunderbold协议。

7.  根据权利要求1的一种设备，其特征在于，设备采用DIMM接口，直插内存插槽，包含一个带DIMM接口的中央板和两块扩展板，中央板包含运行控制器，控制A区，和控制B区：控制A区正反面各有一块SSD主控作存储器主控，正反面各有一个DRAM颗粒作缓存，控制B区正反面各由一块同样的SSD主控作存储器主控，正反面各有一个同样的DRAM颗粒作缓存，控制A区的正反面和控制B区的正反面的4个存储控制器和缓存将分别属于并控制4个不同的磁盘，中央板正面视乎每个磁盘实际通道数有4-8个电路连接槽，控制A区与控制B区各对应一半，背面也有同样数目的电路连接槽，比如每个连接槽对应并负责一个数据通道的跨电路板布线连接；两块扩展板，也就是存储通道板，基本是对称的，每块存储通道版包含非易失存储芯片的阵列，如SLC NAND闪存或ReRAM存储材料，这些非易失存储芯片分布在每块通道版的正反面，每个扩展板均通过电路连接槽与中央板连接，凹凸的插槽扣合上后针脚针脚就可以实现连接；当中央板正反两面分别与扩展板通过电路连接槽扣紧之后，电路触点彼此连接，实际上就构成了折叠起来的4块固态硬盘，这两块固态硬盘组成RAID5或RAID0工作，通过DIMM与CPU直接交换数据，理论上速度可以达到一般固态硬盘的4倍到16倍。

8.  根据权利要求7的一种设备，其特征在于，设备将DIMM接口更改为USB或Thunderbold接口来连接到计算机等计算设备，相应地，桥接与运行控制器兼容USB或Thunderbold协议。

9.  根据权利要求1的一种设备，其特征在于，设备采用DIMM接口，直插内存插槽，包含一个带DIMM接口的中央板和一块扩展板，中央板包含运行控制器，控制A区，控制B区，控制C区，控制D区：控制A区正面有一块SSD主控作存储器主控，正面还有一个DRAM颗粒作缓存，控制B区、C区、D区正面均含有一块同样的SSD主控作存储器主控，以及一个同样的DRAM颗粒作缓存，正面的4个存储控制器和缓存将分别属于并控制4个不同的磁盘，中央板背面有4-16个电路连接槽，每个控制区各对应四分之一，比如每个连接槽对应并负责一个数据通道的跨电路板布线连接；扩展板，也就是存储通道板，包含非易失存储芯片的阵列，如SLC NAND闪存或ReRAM存储材料，这些非易失存储芯片分布在通道版的正反面，扩展板通过4-16个电路连接槽与中央板连接（磁盘与主控的数据通道数越多，速度越快，对应的连接槽也越多），凹凸的插槽扣合上后针脚针脚就可以实现连接；当中央板与扩展板通过电路连接槽扣紧之后，电路触点彼此连接，实际上就构成了折叠起来的4块多通道的固态硬盘，这两块固态硬盘组成RAID0或RAID5工作，通过DIMM与CPU直接交换数据，理论上速度可以达到一般固态硬盘的4倍到16倍。

10.  根据权利要求1的一种设备，其特征在于，设备采用DIMM接口，直插内存插槽，包含一个带DIMM接口的中央板和两块扩展板，中央板包含运行控制器，控制A区，控制B区，控制C区，控制D区：控制A区正反面各有一块SSD主控作存储器主控，正反面各有一个DRAM颗粒作缓存，控制B区、C区和D区正反面也各由一块同样的SSD主控作存储器主控，正反面各有一个同样的DRAM颗粒作缓存，四个控制器的正反面的共计8个存储控制器和缓存将分别属于并控制8个不同的磁盘，中央板正面视乎每个磁盘实际通道数有8-16个电路连接槽，背面也有同样数目的电路连接槽，每个控制区各对应四分之一，每个连接槽对应并负责一个数据通道的跨电路板布线连接；两块扩展板，也就是存储通道板，基本是对称的，每块存储通道版包含非易失存储芯片的阵列，如SLC NAND闪存或ReRAM存储材料，这些非易失存储芯片分布在每块通道版的正反面，每个扩展板均通过电路连接槽与中央板连接，凹凸的插槽扣合上后针脚针脚就可以实现连接；当中央板正反两面分别与扩展板通过电路连接槽扣紧之后，电路触点彼此连接，实际上就构成了折叠起来的8块固态硬盘，这两块固态硬盘组成RAID5或RAID0工作，通过DIMM与CPU直接交换数据，理论上速度可以达到一般固态硬盘的8倍到32倍。

说明书一种可扩展速度与性能的电路装置
技术领域
 本发明属于电子电路领域，可用作内存级磁盘，或计算机的速度放大器或组件部件扩展装置。
背景技术
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”。 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。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。但是，即使如此，比起目前内存DDR4的几十G每秒的速度，以及CPU更快的处理速度，可以说，固态硬盘的速度还是极其慢。
另一方面，移动存储设备在近年快速普及，但是遇到速度瓶颈尤其是4K速度瓶颈。移动存储设备主流的包括移动硬盘和u盘。对于传输文件而言，可能顺序速度更重要，但是对于移动计算来说，以及对于缓存来说，重要的，就不是顺序速度而是4K速度。
U盘的4K性能非常低，一般达不到5MB每秒，从U盘运行程序因此十分缓慢。因为，4K速度是程序运行速度的主要决定因素之一。
移动硬盘，尤其是用固态硬盘加装的移动硬盘，其4K性能是不错的，往往能够有30MB每秒，但体积太大，不便携带。而且，其实区区30MB每秒，依然大大低于USB3接口的600MB传输上限，没有利用好带宽。即使是USB2的老式设备，其带宽60MB也被浪费了一半。
因此，目前的移动存储设备不适合用于移动计算，或者缓存应用。这一点，也基本上是行业共识。
发明内容
为了解决上述问题，创造一种硬件，使得硬盘可以达到内存速度，并基于这样的硬盘制造的移动存储设备也能够更好更适合地用于移动计算，或者缓存应用。
本发明包括一块中央板和M块扩展板（M大于等于1）。中央板通过表面带电路触点的凹凸连接槽与扩展版平行地嵌合，同时通过DIMM接口或USB接口与计算机连接。中央板上包含一个设备控制器，如集成接口bridge和RAID控制的运行控制器，称之为运行控制器，及2个以上固态硬盘主控，称之为存储控制器，一般为2-8个，假定为N个，以及对应数目的缓存颗粒，相应地，中央板上和扩展板上对应的卡口连接槽数量为N的倍数，如2N、4N等，与每个存储控制器控制的实际通道数有关，偶数可以便于实现双通道或多通道。扩展板上包括扩展部件，比如闪存芯片，或内存颗粒等，扩展板与中央板对应的卡口连接槽扣合之后应当能够将电路触点针脚连接上，构成完整的电路。如附图1所示。
缓存颗粒也可以替换为内置于存储主控的SRAM缓存。
扩展通道板上包括扩展部件，比如闪存芯片，或GPU，或DRAM芯片，等，扩展板与中央板对应的卡口连接槽，两者扣合之后应当能够将电路触点针脚连接上，构成完整的电路。之后通过中央板的控制器以并行计算或RAID的方式叠加扩展板上的存储或计算性能（注：中央板只有一块，是计算核心层，但扩展板的数目没有限制，可以是一块、两块，也可以是更多，以中央板为核心，可以一层层叠加，通过中央板的控制器以并行计算或RAID的方式叠加扩展板上的存储或计算性能）。
卡口连接槽设计可以是长方形凹凸设计，电路触点和导线布置在长边的两侧上，扣合上之后，上下板的电路针脚就可以实现连接。如附图2和附图3所示。当然连接槽的设计只是举例，还有更多的实现方式。
以下面的两个具体实施案例辅助说明。
实施案例一：一种快速的只有内存条或U盘大小的企业级固态硬盘RAID，DIMM接口或USB接口
本实施案例包括三块电路板组成。一块中央板，两块存储通道板。（本案例中以两块存储通道板为例，构成三层的电路元件板，实际上可以无限扩展下去，以N块存储通道板构成N+1层的结构，扩展版与扩展版之间也可以以连接槽连接。）
中间与计算机接口（如USB或DIMM）连接的是中央主控板。中央板是双面的，依次分为3个区域，连接区，控制A区，和控制B区。连接区，在中央板上使用SATA 和 RAID 桥接控制器来将设备经USB或DIMM接口与计算机连接，控制A区正反面各有一块SSD主控作存储器主控，采用双核ARM架构CPU，以便处理双数据通道，正反面各有一个DRAM颗粒作缓存，控制B区正反面各由一块同样的SSD主控作存储器主控，正反面各有一个同样的DRAM颗粒作缓存，控制A区的正反面和控制B区的正反面的4个存储控制器和缓存将分别属于并控制4个不同的磁盘，见下文介绍。
对于三层结构，中央板正面有4个电路连接槽，控制A区2个，控制B区2个，背面也有4个电路连接槽，也就是说每个存储器主控对应2个，每个连接槽对应并负责一个数据通道的跨电路板布线连接。
两块存储通道板其实是一样的，不妨叫做F1与F2。每块存储通道版主要都是非易失存储芯片的阵列，如SLC NAND闪存或ReRAM存储材料，这些非易失存储芯片分布在每块通道版的正反面。
反面通过4个电路连接槽与中央板连接，凹凸的插槽扣合上后针脚针脚就可以实现连接。其中2个插槽将存储通道版的正面的电路（两个通道）与控制A区的一个面的存储主控和缓存电路相连，构成一个完整的磁盘，另外2个插槽将存储通道版的反面的电路（两个通道）与控制B区的一个面的存储主控和缓存电路相连，构成另一个完整的磁盘。
另一块存储通道版也以一样的方式与中央板的另外一面的主控和缓存连接上，构成另两个磁盘。
当中央板正反两面分别与通道版通过电路连接槽扣紧之后，实际上就构成了折叠起来的4块固态硬盘，这两块固态硬盘组成RAID5或RAID0工作，通过USB与计算机连接，却只有普通的U盘大小。理论上速度可以达到一般固态硬盘的4倍到8倍。见附图4所示。
USB接口可以替换为DIMM接口，使得设备可以直接连接到DIMM总线（也就是目前内存使用的双列直插接口）。这样可以获得DIMM总线的速度提升，样品测试有2.4GB每秒的速度，并仅有毫秒级别的平均写入延时。DIMM可利用并发式访问机制增加速度。而DIMM总线插口处一般空间狭小，本发明的超小体积就能够发挥作用。这样，计算机就不会有硬盘速度瓶颈问题，也不需要再提供SATA接口了，缩减为CPU-DIMM（内存+存储）结构。见附图5所示。
此外，USB接口可以替换为PCIe接口，使得设备可以直接连接到PCIe总线。
实施案例二：PCIe插卡式计算机
受到应用环境与体积的制约，在不追求性能而需要基本智能化的场合，比如家用简单机器人，电子家用设备等，往往使用嵌入式计算机。这些设备往往有着专属功能，不需要通用型的windows系统，而往往由生产厂家根据linux开源系统定制操作系统。并且，甚至往往并不需要提供用户操作界面，而通过简单的按钮或者配对的App控制。
这些计算机体积小，结构简单，能耗低。比较知名的如Raspberry Pi，目前许多厂商基于该机器进行程序定制。
但是，这些嵌入式计算机虽然体积很小，却可能是一个更大系统的运行核心。许多嵌入式系统由嵌入较大设备的小计算部件组成，提供较通用的功能。例如吉他机器人采用嵌入式系统来调弦；车载电脑作为汽车的一个子系统存在，提供导航、控制、车况反馈等功能。智能机器人依靠其内部的嵌入式计算机来实现不同的功能。
在这些情况下，如果这部分嵌入式计算机发生故障，往往麻烦就很大。需要整体返修或更换。
即使稳定运行多年没有发生故障，后续升级也十分困难。为嵌入式系统编写的程序称为固件，存储在只读存储器或闪存芯片内，本身难以修改重写，即使一些支持后续升级重写的设备，收到有限的计算硬件资源限制，重写也没有意义。要想修改预置的固件，实现改造，也基本不可能。
总之，难以维护，难以升级，难以改造。而用本发明就可以有帮助于这一问题的解决。针对由较大的被嵌入设备与小体积嵌入式计算机组成的嵌入式系统，将较大的被嵌入设备视作计算机外设，该部分包含了各种机械部件和外设部件，而嵌入式计算机基于一块单板的嵌入式主板，以插槽的形式与被嵌入设备连接。被嵌入设备通过PCIe总线连接到嵌入式计算机。该插槽即连接PCIe总线。插槽本身可以是PCIe接口，也可以是其他接口如DIMM接口。
实施方式主要与上例相同，不再赘述，除了实施案例一所包括的内存和存储器内容外，中央板上还增加一颗CPU/GPU的集成，如AMD生产的APU，即构成了完整的计算机。而在扩展通道板上，除了非易失存储，还可增加DRAM或更多GPU处理器。
与过去的Single Board Computer相比，这种方式在后续需要替换的时候更加方便，可以将扩展通道板掰开来，即可卸下来做器件的更换。
附图说明
图1.结构原理图。包括中央板和扩展板。图中以两块扩展板为例，其实扩展板数目没有限制。中央板为计算核心，通过表面带电路触点的凹凸卡口连接槽与扩展版平行地嵌合，同时通过DIMM接口或USB接口与计算机连接。图中采用了DIMM接口作为示例，也可替换为USB接口等其他接口。中央板上包含一个设备控制器，如集成接口桥接和RAID控制的运行控制器，及2个以上SSD主控，一般为2-8个，图中为8个，正反各4个，以及对应数目的缓存颗粒。卡口连接槽数量为8的倍数，与SSD主控通道数有关。扩展板上包括扩展部件，如非易失存储或内存颗粒等，扩展板与中央板对应的卡口连接槽扣合之后应当能够将电路触点针脚连接上，构成完整的电路，之后通过中央板的控制器以并行计算与RAID的方式叠加扩展板上的存储或计算性能。卡口连接槽可以是矩形凹凸设计，电路触点布置在长边两侧。
图2. 其中一种设计的卡口触点插槽，左侧为凸槽部分，黑色粗线为金属导线和触点，细线表示塑料框体，塑料框体是凸起的一个“口”字，也就是说，有且仅有四个边是凸起的，像四面墙一样，右侧为凹槽部分，黑色粗线为金属导线和触点，细线表示塑料框体，有两圈，外框体和内框体，两者之间是凹陷的，供凸槽部分的四边插入用。为了便于说明，下部还分别有两个切面图，从切面图上可见，左侧刚好可以插入右侧，并连接上电路。进一步地，在图3还有一个绘制图供参考。
图3.其中一种设计的卡口触点插槽，左侧为凸槽部分，对应图2左侧，右侧为凹槽部分，对应图2右侧。
图4. 基于本发明设计的USB高速移动存储，体积只有一般U盘大小，采用一个中央板和两个扩展板，实际上是4个RAID，中央板上有四个带SRAM缓存的Marvell88NV1140主控，扩展板有两级存储，第一级是SLC存储，第二级是MLC拟态SLC的iSLC存储，如此小的体积，有16块闪存，8块16GB的SLC存储和8块64GB的iSLC存储，体积只有一般U盘大小，总容量640GB，速度可以达到1.2GB每秒，基本达到USB3.1协议的速度上限。
图5.新的计算机结构，二级结构，只有CPU与DIMM空间。
有益效果
本发明是一种分级分层设计的硬件，在分级上，将计算核心抽取到中央板上，将数据存储和通道抽取到扩展板上，在分层上，以中央板为核心，可以一层层叠加通道，之后通过中央板的控制器以并行计算的方式叠加扩展板上的存储或计算性能。
这种设计与过去的硬盘或内存都显著不同。
1.体积小。只有目前的内存条或U盘大小，却可以达到一般固态硬盘的四倍速度。相当于将原本展开后会十分巨大的电路压缩了。在计算机或机器人等设备中，常常是长度而不是宽度限制了电路，比如内存的长度，限制了其上的元器件，硬盘Tray的长度，限制了硬盘的元器件，比如主流的2.5寸标准，元器件数目受到限制就会影响性能。目前初步生产的DIMM型样品，可以插进台式电脑的内存槽，有足够的宽度。
2.可灵活持续扩展。结构上中央板是计算结构，而扩展板是可以拆卸下来更换的存储和扩展结构。更换和升级都很方便，只要有空间，也可以一直叠加出5层（1个中央板，4个扩展版）甚至更高的器件板结构。
3. 速度快，可用于DIMM插卡、移动计算USB快速设备和缓存。速度可以达到一般固态硬盘的4倍。如果使用较好的闪存和缓存，4K速度可以达到300MB每秒以上，4K QD速度可以达到1GB每秒以上，顺序读写速度可以达到2.4GB每秒。这些参数都已经与DDR2内存接近，可这是非易失存储，且有远远大于内存的容量，是兼具硬盘功能和内存速度的替代品。计算机结构可能因此发生很大的变化，变成准2级结构。见附图5。