智能存算一体化硬盘的制作方法

本发明涉及电路领域，具体涉及一种能与现有硬盘接口兼容，并能通过智能控制器快速配置来实现硬件电路重构与运算的先进计算进硬盘模式的存算一体化硬盘。

背景技术：

1、现有技术的硬盘基本都是只具备数据存储与基本纠错功能的独立存储设备，一方面缺乏更有效的强数据纠错功能，另一方面不能在硬盘上做计算，必须依赖外部主机的运算能力，由于算力不够，频繁更换主机导致过去的主机投入不能复用，造成很大浪费。

技术实现思路

1、本发明提供了一种智能存算一体化硬盘，包括：可编程的低功耗智能控制器、可重构电路单元、se安全处理器、大容量存储器、辅助电源接口、外部数据与控制接口和扩展数据与控制接口；智能控制器，除加强与外部主机配合实现数据信号传输、同步与数据纠错外，还通过可重构电路单元对大容量存储器中的数据进行加速运算并存储在外部主机可访问的特定存储交换区，使得外部主机更快实现数据运算与加速；基于本发明所提供的智能存算一体化硬盘，能够在不改变现有硬盘标准接口的基础上，在智能存算一体化硬盘内部实现数据计算，从而达到只升级替换硬盘就能实现原先需要替换整机才能达到的算力升级和数据加速运算。

2、为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

3、一种智能存算一体化硬盘，其特征在于，包括：具有可编程和低功耗特性的智能控制器、大容量存储器和外部数据与控制接口；所述智能控制器能够根据内部已编程指令或接收外部主机的指令，控制所述大容量存储器的数据读写；所述智能控制器还能够控制特定运算模块，对大容量存储器的特定数据进行运算；所述外部数据与控制接口与外部主机的存储接口兼容；所述外部主机是指各种具备存储接口的电子设备，能够通过存储接口与硬盘模组进行数据交互；所述智能存算一体化硬盘，能够工作在以下工作模式：

4、（1）与标准硬盘工作模式兼容的超强纠错模式，此时所述智能存算一体化硬盘的智能控制器主要负责与外部主机配合实现数据信号传输、同步与数据纠错，所述智能控制器通过可编程纠错算法与内置增强纠错电路使得纠错性能比标准硬盘的简单纠错性能更好，可用于所述大容量存储器的所有数据单元；

5、（2）增加了存内计算与控制的超强计算模式，此时所述智能存算一体化硬盘的智能控制器除负责与外部主机配合实现数据信号传输、同步与数据纠错外，还通过内置的运算电路对所述大容量存储器的特定单元中的数据进行数据运算并将结果存储在外部主机可访问的特定交换存储区，使得外部主机更快实现特定数据运算，可用于所述大容量存储器的指定数据单元。

6、所述的大容量存储器是3d nand闪存存储器。

7、所述的智能存算一体化硬盘，其特征在于，所述外部数据与控制接口是与主机系统的总线插座或硬盘插座连接的硬盘接口，包括但不限于计算机、游戏机和便携设备的各总线插座和硬盘插座，典型的如ide、scsi、sata、msata、sas、u.2、m.2、pcie、网络接口中的一种或多种。

8、所述硬盘介质有很多种，机械硬盘、混合硬盘、nand、3d nand、pcm等，在有备用电源支持下保障不掉电，dram也能够用于硬盘存储。3d nand中还包括slc、mlc、tlc、qlc、plc等多种不同存储密度的介质类型。

9、所述的智能存算一体化硬盘，其特征在于，还包括辅助电源接口；所述辅助电源接口能够协助所述智能控制器实现掉电保护的功能，所述智能控制器在检测到掉电发生时，通过所述辅助电源接口提供的辅助电源，把还在缓存中的文件表和关键数据写入所述大容量存储器中，避免文件表和关键数据损坏。

10、在使用大容量动态存储器和非易失存储器混合存储模式中，是在辅助电源支持下，把大容量动态存储器中的数据备份到非易失存储器中，在下次上电的时候，再把数据从非易失存储器转移到大容量动态存储器中。

11、所述的智能存算一体化硬盘，特征在于，还包括一个或多个具备安全内核的se安全处理器；实现所述se安全处理器的安全内核具备以下特点的一种或多种：

12、（1）所述安全内核采用精简指令集进行加密运算及安全控制；

13、（2）所述安全内核使用在指令执行前后自动增加随机噪声的方法，能够抵抗外部逻辑分析和dpa探测；

14、（3）所述安全内核采用低频自动抑制电路防止低频分析；

15、（4）所述安全内核采用防打磨光敏传感器和自毁电路防止芯片被打磨探测；

16、（5）所述安全内核采用扰乱加密总线对加载指令和数据做保护；

17、（6）所述安全内核能够安全连接内置隔离存储器和加密协处理器，所述安全内核通过加密协处理器能够进行特定数据加解密的加速运算，通过内置隔离存储器能够保障密钥和关键参数的安全，与所述智能控制器内核配合实现更安全的高速加解密。

18、所述加密协处理器通常是浮点运算、模幂运算和模逆运算等专用大数据运算电路，能够快速执行密钥生成和加解密运算。

19、所述的智能存算一体化硬盘，其特征在于，所述安全内核具备唯一芯片编号，对应的密钥是根据统一指定的密钥或密钥矩阵对唯一芯片编号运算所生成的专属密钥。

20、所述的智能存算一体化硬盘，其特征在于，还包括扩展数据与控制接口；所述扩展数据与控制接口是与主机或主机外部装置的高速总线插座连接的电路接口，典型的如pcie接口、网络接口、光纤接口、自定义高速总线接口；所述智能控制器能够根据编程要求，控制所述扩展数据与控制接口的数据传输并进行指定的数据运算，使得智能存算一体化硬盘，增加以下工作模式：

21、（1）分布式存内计算模式，此时所述智能控制器内核能够通过所述扩展数据与控制接口与其它智能存算一体化硬盘的所述智能控制器内核相连，协同对各大容量存储器中的数据进行加速运算并存储在指定主机可访问的特定交换存储区，使得整体数据运算能够协同并进一步加快，使得外部主机能够在授权条件下访问各智能存算一体化硬盘中的计算数据；

22、（2）分布式数据共享模式，此时所述智能控制器内核除负责与外部主机配合实现数据信号传输、同步与数据纠错外，还通过数据调度算法对各智能存算一体化硬盘中的大容量存储器的数据进行调度并映射到指定主机可访问的特定交换存储区，使得外部主机能够在授权条件下访问各智能存算一体化硬盘中的存储数据。

23、分布式存内计算智能硬盘模式，通常会有一个智能存算一体化硬盘作为主节点，负责同步和调度其它的智能存算一体化硬盘，并存储核心的元数据。

24、所述的智能存算一体化硬盘，其特征在于，还包括可重构电路单元；所述可重构电路单元具备硬件可编程的特性，其硬件架构和功能随所述智能控制器进行实时配置控制而实时动态变化，所述可重构电路单元通过硬件运行时配置，调整硬件功能，根据数据流的特点，让功能配置好的硬件单元资源互连形成相对固定的计算通路，以接近asic专用电路的方式进行数据驱动下的计算；当算法和应用变换时，所述智能控制器再次通过配置，使所述可重构电路单元的硬件重构为不同的计算通路去执行；所述数据流是指的外部设备送入的带有配置标志的数据单元，所述智能控制器根据配置标志选取相应的配置参数对所述可重构电路单元进行配置，再把数据单元交给配置好的可重构电路单元去进行运算；所述可重构电路单元把由原来软件实现的功能通过硬件单元的重组进行实现，计算效率高。

25、可重构电路单元一是没有传统指令驱动的计算架构取指和译码操作的延时和能耗开销，二是在计算过程中以接近asic专用电路的方式执行，基于配置方式执行，执行效率可以和asic相当，但是灵活性远好于asic；算力可以弹性扩展，适用于边缘端对高能效和灵活性有综合要求的场景；可重构电路单元把由原来软件实现的功能通过硬件单元的重组进行实现，计算效率高，灵活性高。

26、所述的智能存算一体化硬盘，其特征在于，所述的智能控制器还能够根据外部服务平台或终端中的其它安全控制器发出的随机数和数字认证申请进行安全认证，作为安全控制条件对数据的传输和运算进行安全控制；基于安全认证，所述智能控制器能够实现安全的启动和运行，为安全操作系统或可信执行环境tee提供基础保障。

27、类似于可信执行环境的安全启动，智能控制器首先通过数字签名验证固件的安全性，同时使用根据随机数进行运算的内外部认证指令和安全内核进行相互认证，同时特定密钥运算交给安全内核来计算，保证可信根的建立和信任链安全转移。

28、所述的智能存算一体化硬盘，其特征在于，所述的智能控制器具备数据去重和数据压缩功能，使得大容量存储器中存储数据容量能够比实际物理单元存储容量大。

29、所述的智能存算一体化硬盘，其特征在于，所述大容量存储器由缓存存储器和数据存储器组成，所述缓存存储器和数据存储器能够采用不同类别的闪存存储器类型组成，典型的如：缓存存储器采用slc或mlc高寿命闪存类型，数据存储器采用tlc或qlc低寿命闪存类型，通过高寿命的缓存存储器承担更多数据缓存和反复擦写工作，这样能够有效提高整体智能存算一体化硬盘的使用寿命。

30、所述的智能存算一体化硬盘，其特征在于，所述大容量存储器还包括大容量dram动态存储器，通过辅助电源接口的辅助电源保护，由几乎无寿命限制的大容量动态存储器承担更多数据缓存和反复擦写工作，在缓存写满或掉电时再写入非易失的闪存存储器，降低闪存存储器的磨损，能够进一步提高整体智能存算一体化硬盘的使用寿命和性能。