數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展最大的特征是數(shù)據(jù)作為其核心生產(chǎn)要素，而數(shù)據(jù)庫作為其全生命周期的最核心載體，其應(yīng)用速度和分析性能等成為數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵所在。業(yè)界從2010年開始密集研究通過硬件(FPGA)等硬件對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行加速，然而數(shù)據(jù)庫加速的主要障礙是軟件與硬件耦合度極高，硬件實現(xiàn)大量軟件算法，技術(shù)門檻極高。

申威睿思作為國內(nèi)首家專業(yè)從事數(shù)據(jù)中心加速領(lǐng)域的高階處理器SOC芯片公司，其核心團隊擁有深厚的數(shù)據(jù)庫和硬件加速技術(shù)的研發(fā)功底以及豐富的應(yīng)用場景設(shè)計經(jīng)驗，在數(shù)據(jù)庫性能提升與數(shù)據(jù)中心/超算中心加速等技術(shù)場景中擁有大量自主創(chuàng)新性技術(shù)并獲得了多項國家發(fā)明專利。其中，申威睿思針對分布式數(shù)據(jù)庫的硬件加速技術(shù)已獲得了4項國家發(fā)明專利，同時完成了4項PCT國際發(fā)明專利申請，并已經(jīng)正式進(jìn)入美國審查階段，完成在美國的專利布局。這4項自主創(chuàng)新的發(fā)明專利完成國際專利申請并正式進(jìn)入美國審查階段，一方面標(biāo)志著申威睿思中國“芯”力量在數(shù)據(jù)中心關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)方面的創(chuàng)新和突破，另一方面則體現(xiàn)了申威睿思的技術(shù)發(fā)展從國內(nèi)到國際的戰(zhàn)略性布局，展現(xiàn)了申威睿思意在更廣闊、競爭更激烈的國際市場上群雄逐鹿的決心。

此次申威睿思的四項發(fā)明專利主要圍繞分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)加速方法和裝置發(fā)明，涵蓋從系統(tǒng)方法、操作加速、數(shù)據(jù)傳輸、存儲和裝置等四個方面原創(chuàng)發(fā)明。

本次分享的是針對數(shù)據(jù)中心單節(jié)點數(shù)據(jù)庫加速瓶頸的難題，提出了全球原創(chuàng)性的發(fā)明——層級化數(shù)據(jù)庫操作加速系統(tǒng)和方法，為大幅度提升大量數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)庫性能提供了行之有效的原創(chuàng)性系統(tǒng)方法和技術(shù)方案。

眾所周知，數(shù)據(jù)庫單節(jié)點采用單張FPGA加速卡加速其性能增益存在上限，擴展成多卡加速成為自然而然的選擇。

目前主流數(shù)據(jù)庫多卡加速的方案有兩種：

一、加速卡橫向擴展

將2張及以上加速卡并行接入單節(jié)點對應(yīng)的PCIe插槽中。該節(jié)點針對多個可用加速器中的每一個的處理配置檢索成本信息，將一個或多個查詢操作卸載到多個加速器中進(jìn)行查詢加速和匯總。該方案存在主機存儲IO和CPU性能瓶頸，無法滿足性能線性提升要求。

二、加速卡縱向擴展

通過一個PCIe接口加轉(zhuǎn)換器連接多個硬件加速器，并連接一個共享存儲設(shè)備，通過查詢分片的方式，將主機處理后的查詢分片分發(fā)到至少一個加速器上執(zhí)行并返回該分片的結(jié)果。該方案依然存在IO瓶頸，因此影響了單節(jié)點加速性能的提升。

要進(jìn)一步提升多加速卡的單節(jié)點數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的處理性能，提高數(shù)據(jù)查詢效率，我們開創(chuàng)性地發(fā)明了一種層級加速方法。

說明圖1

層級加速效應(yīng)倍增

層級化數(shù)據(jù)庫操作加速系統(tǒng)，包含主機以及層級化加速模塊兩大部分，其中主機接收查詢計劃，并以此為依據(jù)生成相應(yīng)的查詢操作并進(jìn)行分發(fā)，同時還接收并處理匯總執(zhí)行結(jié)果;而層級加速模塊通過PCIe接口與主機相連，接收主機分配的所述查詢操作并返回所述匯總執(zhí)行結(jié)果。

說明圖2

層級加速中包含一個主加速卡和至少一個從加速卡，主從加速卡相互連接，執(zhí)行被分配的查詢操作，產(chǎn)生執(zhí)行結(jié)果;從加速卡向主加速卡返回所述執(zhí)行結(jié)果，再由主加速卡完成所述執(zhí)行結(jié)果匯聚和被分配的后續(xù)查詢操作，向主機返回所述匯總執(zhí)行結(jié)果。為了提高數(shù)據(jù)庫操作的速度，主加速卡和從加速卡都設(shè)置有用于存儲數(shù)據(jù)的存儲單元，整個系統(tǒng)就形成多級存儲架構(gòu)。

說明圖3

主機根據(jù)數(shù)據(jù)分布信息和各加速卡的執(zhí)行能力信息將所述查詢計劃對應(yīng)的所述查詢操作分發(fā)至各加速卡，預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)分布規(guī)則預(yù)先將主機側(cè)存儲器中存儲的數(shù)據(jù)加載存放到各加速卡存儲器中。主機接收到查詢請求時，根據(jù)數(shù)據(jù)分布信息和各加速卡的執(zhí)行能力信息將查詢計劃分發(fā)至各加速卡操作，操作可包括掃描、連接、排序和匯聚操作。

主從加速卡之間可通過PCIe數(shù)據(jù)總線或超高速網(wǎng)絡(luò)接口連接，主加速卡和從加速卡具備對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和壓縮，以及解密和解壓的功能。

靈活配搭 廣泛應(yīng)用

在層級加速模塊中，主從加速卡可以為內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)相同的加速卡，可以實現(xiàn)相同的功能;也可以為內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)不同的加速卡，可以實現(xiàn)不同的功能;各從加速卡也可以為內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)不同的加速卡，可以實現(xiàn)不同的功能。在當(dāng)前主加速卡故障時，則由預(yù)設(shè)的后繼加速卡接替當(dāng)前主加速卡。

說明圖4

為了提高數(shù)據(jù)查詢效率，主加速卡基于負(fù)載均衡將各剩余容量在各加速卡存儲器之間平均分配，或基于負(fù)載均衡將高于預(yù)設(shè)訪問頻次的熱點數(shù)據(jù)在各加速卡存儲器之間平均分配，或?qū)㈥P(guān)聯(lián)度高于預(yù)設(shè)值的數(shù)據(jù)存入同一個加速卡存儲器中。

主從加速卡的網(wǎng)絡(luò)接口包括Ethernet以太網(wǎng)、FC光纖通道、基于融合以太網(wǎng)的RDMAv2中的一種或多種。各加速卡通過外部的以太交換機實現(xiàn)高速互聯(lián)。也可以是其余任意一種加速卡支持的網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備，可以連接更多的同構(gòu)系統(tǒng)或加速卡，構(gòu)建更大規(guī)模的多卡加速系統(tǒng)。

說明圖5

此外，各加速卡中的一個或多個具備對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和壓縮、解密和解壓的功能。當(dāng)層級加速模塊啟用，從主機側(cè)的存儲介質(zhì)中加載加密和壓縮的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)時，需要先由主加速卡完成數(shù)據(jù)的解壓和/或解密后，再分發(fā)到各加速卡。通過在一張從加速卡上部署遠(yuǎn)端存儲訪問功能，支持連接遠(yuǎn)端存儲設(shè)備。

說明圖6

本發(fā)明的層級加速模塊中，主從加速卡的配搭組合靈活多變，可以滿足不同數(shù)據(jù)庫單機節(jié)點的加速需求，為各類數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)庫加速場景和創(chuàng)新應(yīng)用提供了創(chuàng)新性方法和實現(xiàn)路徑。

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