DE69323870T2

DE69323870T2 - Modulare Festkörpermassenspeichervorrichtung mit hoher Kapazität für Video-Server

Info

Publication number: DE69323870T2
Application number: DE69323870T
Authority: DE
Inventors: Dirk Kurt Hermosa Beach California 90254 Brandis; Arthur Gustav Redondo Beach California 90277 Enyedy; Grant Joseph Long Beach California 90807 Stockton; Eric Lawrence North Redondo Beach California 90278 Upton; Timothy Alan No. 24 Torrance California 90502 Yokote
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Priority date: 1993-08-02
Filing date: 1993-12-21
Publication date: 1999-07-29
Anticipated expiration: 2013-12-22
Also published as: EP0637890B1; EP0637890A1; DE69323870D1; JPH0756798A; US5651129A

Description

Diese Erfindung betrifft in allgemeinen Massendatenspeichereinrichtungen und im speziellen Massendatenspeichereinrichtungen mit Halbleiterspeichern mit wahlfreiem Zugriff (RAM) für Videoserveranwendungen.
Video-on-Demand wird Fernsehzuschauern zu Hause die Möglichkeit eröffnen, Filme ihrer Wahl zu jeder Tageszeit im Komfort ihrer Häuser zu sehen. Zentral angeordnete Videoserver werden aktuelle beliebte Filme speichern und es Tausenden Zuschauern erlauben, jederzeit gleichzeitig auf diese Filme zuzugreifen. Weniger beliebte aktuelle Filme oder ältere Filme werden auf Anforderung auf den Videoserver zugeladen. Fernsehgeräte zu Hause werden über Telefonleitungen unter Verwendung von Kupferleitungen oder faseroptischen Leitungen mit den Videoservern verbunden sein. Jeder Zuschauer wird eine unabhängige VCR-(Video- Cassetten-Recorder)- ähnliche Kontrolle übenden zu sehenden Film haben.
Jeder Videoserver wird eine Art einer Massendatenspeichereinrichtung zum Speichern der Filme enthalten. Festplatten- oder Bildplattenspeichereinrichtungen könnten verwendet werden, aber die Latenzzeiten sind für eine unabhängige VCR-ähnliche Kontrolle zahlreicher Filme durch Tausende Zuschauer zu lang. Magnetbänder erlauben keine mehrfachen Zugriffe auf einen Film zu unterschiedlichen Zeitpunkten oder eine unabhängige VCR- Kontrolle eines Filmes durch unterschiedliche Zuschauer. Daher wird die Massendatenspeichereinrichtung wahrscheinlich eine Halbleiter-RAM-Speichereinrichtung sein. Die Halbleiter-RAM- Massendatenspeichereinrichtungen stellen jedoch noch nicht die hohen Dichten und großen Speicherkapazitäten zur Verfügung, die von Videoservern benötigt werden, auch wenn Weiterentwicklungen bei Halbleiterherstellungsverfahren die Stückkosten verringert und die Bauteildichte bei Halbleiter-RAM-Speichereinrichtungen erhöht haben. Dem entsprechend bestand hier ein Bedarf an einer Halbleiter-Massendatenspeichereinrichtung mit hoher Kapazität für Videoserveranwendungen.
Ein typisches Beispiel eines Video-on-Demand-Systems ist in US- A-5133079 offenbart. Hier werden Filme in einer zentralen Verteilungsbibliothek in digitaler Kompressionsform gespeichert. Der detaillierte Aufbau der Bibliothek ist nicht spezifiziert. Angegebene Beispiele sind CD-ROM, WORM, Festplatte und Halbleiterspeicher.
EP-A-0402135 offenbart eine bildwiedergebende Vorrichtung, in der ein oder zwei Bilder aus Videodaten in einem Speicher gespeichert und wieder ausgelesen werden, wenn sie zur Ausgabe auf einem Videomonitor ausgewählt werden. Die Vorrichtung arbeitet in Verbindung mit einem Videobandrecorder (VTR = Video Tape Recorder) oder einem ähnlichen Gerät und wird verwendet, um ein stehendes Videobild zur Verfügung zu stellen, wenn der VTR in einem Rückspul- oder schnellen Vorspulvorgang arbeitet. Folglich braucht der Speicher einer derartigen Vorrichtung nur ein oder zwei Bilder aus Videodaten zu speichern. Ein Beispiel eines geeigneten Speichers ist veranschaulicht, der eine Anordnung von Modulen mit einer einzelnen Steuereinheit umfaßt, die einen wahlfreien Zugriff auf die mehrfachen Speichermodule ermöglicht.
Die vorliegende Erfindung stellt eine modulare Halbleiter- Massendatenspeichereinrichtung zur Verfügung, die eine Speicherung eines oder mehrerer Filme mit hoher Dichte und hoher Kapazität für Videoserver ermöglicht, gekennzeichnet durch: eine verteilte Anordnung von Steuer- und Speichermodulen, die auf einer oder mehreren Speicherkarten in parallelen Steuer- und Speicherkanälen angeordnet sind, wobei die verteilte Anordnung eine modulare Pipelinearchitektur hat, in der jeder Steuer- und Speicherkanal mehrfache Steuer- und Speichermodule aufweist, die durch Adress-, Daten- und Steuerbusse in einer seriellen Kette verbunden sind, und
einen asynchronen Übertragungsbetriebsart-(ATM = Asynchronous Transfer Mode)-Schalter zum gleichzeitigen Zugriff durch viele Zuschauer auf den einen oder mehrere Filme, die in den Steuer- und Speichermodulen gespeichert sind,
wobei die Adress-, Daten- und Steuerbusse, die die Steuer- und Speichermodule in jedem Kanal verbinden, erste und zweite Busse enthalten, die sich von einem Datenformatmodul erstrecken, wobei der erste Bus auch einen Ausgang des letzten Steuer- und Speichermoduls in jedem Kanal zurück zu einem Eingang des Datenformatmoduls verbindet.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung besteht aus einer modularen Halbleiter-Massendatenspeichereinrichtung, die eine Speicherung zahlreicher Filme in voller Länge mit hoher Dichte und hoher Kapazität für Videoserveranwendungen, zur Verfügung stellt. Die modulare Pipelinearchitektur erlaubt es, daß die Anzahl der Steuer- und Speichermodule, im folgenden "Steuer/Speicher-Module", in jedem Kanal einfach konfiguriert wird, um sich jeder benötigten Speichergröße anzupassen, und erlaubt es der Anzahl der Steuer- und Speicherkanäle, im folgenden "Steuer/Speicher- Kanäle", so konfiguriert zu werden, daß sie sich jeder benötigten Speichergröße und Übertragungsrate anpassen, ohne die Latenzzeit zu verlängern. Die modulare Pipelinearchitektur vereinfacht auch in hohem Maße die Komplexität der Speichersteuereinheiten, und eine Gruppierung der Steuer/Speicher-Module mit hoher Dichte ermöglicht eine kompakte Speicherung großer Datenmengen. Ein asynchroner Übertragungsbetriebsart-(ATM)-Schalter erlaubt vielen Zuschauern mit einer unabhängigen VCR-ähnlichen Kontrolle des zu sehenden Filmes auf die Filme zuzugreifen, die in der Massendatenspeichereinrichtung gespeichert sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält jede Steuer/Speicher-Karte acht parallele Steuer/Speicher-Kanäle. Für eine Gesamtspeicherkapazität von 16 MBytes pro Modul enthält jedes Steuer/Speicher-Modul eine 8 · 4 Anordnung von 4 MBit DRAM Chips. Jede Gruppe aus acht parallelen Steuer/Speicher-Modulen ist in zwei SIMM-Modulen hoher Dichte für eine Gesamtspeicherkapazität von 64 MBytes pro SIMM-Modul und einer Datenübertragungsgeschwindigkeit von 200 MBytes/sec. gruppiert. Jede Steuer/Speicher-Karte enthält 20 SIMM-Module für eine Gesamtspeicherkapazität von 1,0 GByte mit Fehlerkorrektur. Jede Steuer/Speicher-Karte kann mit Kompression einen Film in voller Länge speichern. Vierundsechzig Steuer/Speicher- Karten stellen eine Gesamtspeicherkapazität von 64 GByte zur Verfügung und können vierundsechzig Filme in voller Länge speichern.
Aus dem Vorhergehenden ist es ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung einen deutlichen Vorteil auf dem Gebiet der Halbleiter-Massendatenspeichereinrichtungen für Videoserveranwendungen darstellt. Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierteren Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, die an Hand von Beispielen die Prinzipien der Erfindung veranschaulichen, ersichtlich.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer modularen Halbleiter- Massendatenspeichereinrichtung mit hoher Kapazität für Videoserveranwendungen gemäß der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 2 ist ein Blockschaltbild eines Steuer/Speicher-Moduls in der Massendatenspeichereinrichtung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Wie in den Zeichnungen zur Veranschaulichung gezeigt ist, ist die vorliegende Erfindung in einer modularen Halbleiter- Massendatenspeichereinrichtung realisiert, die eine Speicherung zahlreicher Filme in voller Länge mit hoher Dichte und hoher Kapazität für Videoserveranwendungen zur Verfügung stellt. Die Massendatenspeichereinrichtung verwendet eine modulare Pipelinearchitektur, in der eine verteilte Anordnung von Steu er/Speicher-Modulen auf einer oder mehreren Steuer/Speicher- Karten in parallelen Steuer/Speicher-Kanälen angeordnet ist. Die modulare Pipelinearchitektur erlaubt es, daß die Anzahl der Steuer/Speicher-Module in jedem Kanal einfach konfiguriert wird, um sich jeder benötigten Speichergröße anzupassen, und erlaubt es der Anzahl der Steuer/Speicher-Kanäle so konfiguriert zu werden, daß sie sich jeder benötigten Speichergröße und Übertragungsrate anpassen, ohne die Latenzzeit zu verlängern. Die modulare Pipelinearchitektur vereinfacht auch im hohen Maße die Komplexität der Speichersteuereinheiten, und eine Gruppierung der Steuer/Speicher-Module mit hoher Dichte erlaubt eine kompakte Speicherung großer Datenmengen. Ein asynchroner Übertragungsbetriebsart-(ATM)-Schalter erlaubt vielen Zuschauern mit einer unabhängigen VCR-ähnlichen Kontrolle des zu sehenden Filmes auf die Filme zuzugreifen, die in der Maßendatenspeichereinrichtung gespeichert sind.
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, enthält die Massendatenspeichereinrichtung der vorliegenden Erfindung eine oder mehrere Steuer/Speicher-Karten 10, die durch eine Leiterplattenchassisschnittstelle 12 in einem Leiterplattenchassis stecken. Ein asynchroner Übertragungsbetriebsartschalter 14 erlaubt vielen Zuschauern auf die Filme zuzugreifen, die in den Steuer/- Speicher-Karten 10 gespeichert sind. Jede Steuer/Speicher-Karte 10 enthält eine verteilte Anordnung von Steuer/Speicher-Modulen 16, die in parallelen Steuer/Speicher-Kanälen angeordnet sind. In jedem Kanal sind die Steuer/Speicher-Module 16 mit ersten und zweiten Bussen 18, 20 verbunden, die sich von einem Datenformatmodul 22 erstrecken. Der erste Bus 18 erstreckt sich ebenfalls von dem letzten Steuer/Speicher-Modul 16 in jedem Kanal zurück zu dem Datenformatmodul 22. Das Datenformatmodul 22 ermöglicht Datenformatierung, Synchronisation und Fehlerkorrektur der in den Modulen 16 gespeicherten Daten. Die modulare Pipelinearchitektur der Steuer/Speicher-Kanäle erlaubt es, daß die Anzahl der Steuer/Speicher-Module 16 in jedem Kanal einfach konfiguriert wird, um sich jeder benötigten Speichergröße anzupassen, und erlaubt es der Anzahl der Steuer/Speicher-Kanäle so konfiguriert zu werden, daß sie sich jeder benötigten Speicher größe und Übertragungsrate anpassen, ohne die Latenzzeit zu verlängern.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, enthält jedes Steuer/Speicher- Modul 16 eine Speichersteuereinheit 24 und eine Anordnung von dynamischen Halbleiterspeicherchips (26) mit wahlfreiem Zugriff (DRAM). Die Speichersteuereinheit 24, die aufgrund der Pipelinearchitektur der vorliegenden Erfindung in hohem Maße vereinfacht werden kann, führt alle grundlegenden Steuerfunktionen durch die zum Zugriff auf die DRAM-Chips 26 notwendig sind. Diese Funktionen umfassen Steuern und Adressieren der DRAM- Chips für Lese/Schreib-Operationen und Auffrischen der DRAM- Chips. Jeder DRAM-Chip 26 ist mit der Speichersteuereinheit 24 verbunden, und jede Speichersteuereinheit 24 ist durch die ersten und zweiten Busse 18, 20 mit den anderen Speichersteuereinheiten in dem gleichen Kanal verbunden. Der erste Bus 18 enthält einen Lesedatenbus und der zweite Bus 20 enthält einen Leseadressbus 28, einen Schreibadressbus 30, einen Schreibdatenbus 32 und einen Steuerbus 34.
Die Lese- und Schreibbusse nutzen sowohl für Daten- als auch für Adressübertragungen eine Pipelinearchitektur. Für Schreiboperationen werden die Schreibadressen auf dem Schreibadressbus 30 und die Daten auf dem Schreibdatenbus 32 in einem besonderen Kanal durch die Speichersteuereinheiten 24 hindurch getaktet, bis eine Adresse mit dem Schreibspeicherplatz übereinstimmt. Die Daten werden dann in diesen Speicherplatz auf dem DRAM-Chip geschrieben. Für Leseoperationen werden die Leseadressen auf dem Leseadressbus 28 in einem besonderen Kanal durch die Speichersteuereinheiten 24 hindurch getaktet, bis eine Adresse mit dem Lesespeicherplatz übereinstimmt. Die Daten werden wieder ausgelesen und dann weiter durch die verbleibenden Speichersteuereinheiten 24 in diesem Kanal auf dem Lesedatenbus 18 zurück zu dem Datenformatmodul 22 getaktet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält jede Steuer/Speicher-Karte 10 acht parallele Steuer/Speicher-Kanäle. Für eine Gesamtspeicherkapazität von 16 MBytes pro Modul enthält jedes Steuer/Speicher-Modul 16 eine 8 · 4 Anordnung von 4 MBit DRAM-Chips 26. Jede Gruppe aus acht parallelen Steuer/Speicher-Modulen 16 ist in zwei SIMM-Modulen 36 hoher Dichte für eine Gesamtspeicherkapazität von 64 MBytes pro SIMM-Modul und einer Datenübertragungsrate von 200 MBytes/sec. gruppiert. Jede Steuer/Speicher-Karte 10 enthält zwanzig SIMM-Module 36 für eine Gesamtspeicherkapazität von 1,0 GByte mit Fehlerkorrektur. Jede Steuer/Speicher-Karte 10 kann mit Kompression einen Film in voller Länge speichern. Vierundsechzig Steuer/Speicher-Karten 10 stellen eine Gesamtkapazität von 64 GBytes zur Verfügung und können vierundsechzig Filme in voller Länge speichern.
Jedes Steuer/Speicher-Bord 10 kann gleichzeitig über 1000 Zuschauer bedienen, wobei jeder Zuschauer vollständige VCR- ähnliche Kontrolle über den Film hat. Werden ein zweifacher I/O-Kanal mit 200 MBytes/sec., ein zusätzlicher Platzbedarf von 48 Bytes/Block, eine Benutzerleitungrate von 1,55 MBit/sec. und eine Blocklänge größer als 100 KBytes verwendet, beträgt die Anzahl gleichzeitiger Zugriffe: (I/O-Rate · Blocklänge) [Leitungsrate · (Blocklänge + zusätzlicher Platzbedarf)], was (1600 MBit/sec. · 100 KByte)/[1,55 MBit/sec. · (100 KBytes + 48 Bytes)] oder 1031 entspricht. Mit einer Blocklänge von 100 KByte können daher bis zu 1031 Zuschauern gleichzeitig Zugriff auf jeden Film haben. Fünfzehn Zugriffe können zu einem Zeitpunkt aufeinanderfolgen.
Die Lese- und Schreibbusse sind 8-Bit-Busse, die in einem Verhältnis von 1 : 4 demultiplext und in einem Verhältnis von 4 : 1 multiplext werden, um Systemverbindungen und Eingänge/Ausgänge der Speichersteuereinheiten zu verringern. Die Steuer/Speicher- Module 16 sind vollständig synchron mit allen Lese- und Schreibdatenübertragungen, und die Lese- und Schreibadressen sind für eine stabile Ablaufsteuerung synchron getaktet. Die Latenzzeit für jede Adresse beträgt weniger als 10 Mikrosekunden.
Weniger beliebte aktuelle Filme oder ältere Filme können auf einem Magnetband, einer Festplatte oder einer optischen Platte gespeichert und auf Anforderung zugeladen werden. Magnetbandsysteme haben Datenübertragungsraten von 20 MBytes/sec. und Festplatten haben Datenübertragungsraten von 30 MBytes/sec.. Bei 20 MBytes/sec. kann ein auf 1 GByte komprimierter Film in 50 Sekunden zugeladen werden. Ein typisches Videoserversystem wird einen Arbeitsplatzrechner (work station) und eine Schnittstelle zur Kontrolle der Massendatenspeichereinrichtung benötigen.
Aus dem Vorhergehenden ist ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung einen bedeutsamen Vorteil auf dem Gebiet von Halbleiter-Massendatenspeichereinrichtungen für Videoserveranwendungen darstellt.

Claims

1. Eine modulare Halbleiter-Massendatenspeichereinrichtung, die eine Speicherung eines oder mehrerer Filme mit hoher Dichte und hoher Kapazität für Videoserver zur Verfügung stellt, gekennzeichnet durch:

eine verzweigte Anordnung von Steuer- und Speichermodulen (16), die auf einer oder mehreren Speicherkarten (10) in parallelen Steuer- und Speicherkanälen angeordnet sind, wobei die verzweigte Anordnung eine modulare Pipelinearchitektur hat, in der jeder Steuer- und Speicherkanal mehrfache Steuer- und Speichermodule aufweist, die durch Adress- (28, 30), Daten- (18, 32) und Kontroll-(34)-Busse in einer seriellen Kette verbunden sind, und

einen asynchronen Übertragungsbetriebsart-(ATM)-Schalter (14) zum gleichzeitigen Zugriff durch viele Zuschauer auf den einen oder die Anzahl von Filmen, die in den Steuer- und Speichermodulen gespeichert sind,

wobei die Adress-, Daten- und Steuerbusse, die die Steuer- und Speichermodule in jedem Kanal verbinden, erste und zweite Busse (18, 20) enthalten, die sich von einem Datenformatmodul (22) erstrecken, wobei der erste Bus auch einen Ausgang des letzten Steuer- und Speichermoduls in jedem Kanal zurück zu einem Eingang des Datenformatmoduls verbindet.

2. Massendatenspeichereinrichtung nach Anspruch 1, bei der das Datenformatmodul eine Datenformatierung, Synchronisation und Fehlerkorrektur für einen oder mehrere Filme zur Verfügung stellt, die in den Steuer- und Speichermodulen gespeichert sind.

3. Massendatenspeichereinrichtung nach Anspruch 1, bei der jedes Steuer- und Speichermodul eine Anordnung von dynamischen Speicherchips (26) mit wahlfreiem Zugriff (DRAM) und eine Speichersteuereinheit (24) zur Durchführung von Steuerfunktionen hinsichtlich der Anordnung der DRAM-Chips (26) enthält.

4. Massendatenspeichereinrichtung nach Anspruch 3, bei der jeder DRAM-Chip (26) in einem Steuer- und Speichermodul (16) mit der Speichersteuereinheit (24) des gleichen Steuer- und Speichermoduls (16) verbunden ist, und jede Speichersteuereinheit (24) mit den anderen Speichersteuereinheiten in dem gleichen Kanal durch die ersten und zweiten Busse (18, 20) verbunden ist.

5. Massendatenspeichereinrichtung nach Anspruch 4, bei der der erste Bus (18) einen Lesedatenbus umfaßt, und der zweite Bus (20) einen Leseadressbus (28), einen Schreibadressbus (30), einen Schreibdatenbus (32) und einen Steuerbus (34) enthält.

6. Massendatenspeichereinrichtung nach Anspruch 1, bei der jede Speicherkarte (10) in der Massendatenspeichereinrichtung acht Steuer- und Speicherkanäle umfaßt, jedes Steuer- und Speichermodul (16) eine Speicherkapazität von 16 Megabyte (MBytes) hat, und jede Speicherkarte eine Gesamtspeicherkapazität von mehr als 1 Gigabyte (GByte) hat.

7. Massendatenspeichereinrichtung nach Anspruch 6, bei der alle acht parallelen Steuer- und Speichermodule (16) in einem Single-Inline-Memory-Modul (SIMM) gruppiert sind.