三维众核片上处理器存储架构研究

三维众核片上处理器的研究近年来逐渐引起了学术界的广泛关注.三维集成电路技术可以支持将不同工艺的存储器层集成到一颗芯片上,三维众核片上处理器可以集成更大的片上缓存以及主存储器.研究三维众核片上处理器存储架构,探索了集成SRAM L2cache层,DRAM主存储器层等,对三维众核片上处理器性能的影响.从仿真结果可知,相比集成1层L2cache,集成2层L2cache的三维众核片上处理器性能最大提高了55%,平均提高34%.将DRAM主存储器集成到片上最大可以提高三维众核片上处理器80%的系统性能,平均改善34.2%.     

面向众核处理器的独立调试系统设计方法

基于片上网络(Network-on-Chip,NoC)技术的众核处理器正成为当前高性能处理器的设计焦点.传统的调试系统结构不能很好地应用于众核处理器体系结构,众核处理器中踪迹数据传输、调试事件传播、时间戳同步等方面均面临重大挑战.为解决上述问题,提出一种具有高带宽、低资源消耗的独立调试系统设计方法.该方法通过减少长互连线,提高了调试通道工作频率,以较少的互连线即可实现高带宽传输通道;同时调试组件采用分布式的对称结构,具有良好的可扩展性.在踪迹数据传输结构中,提出了一种带宽平衡的非侵入式踪迹数据导出方法,该方法通过软硬协同方式来配置踪迹通道仲裁的权重值,降低硬件复杂度.在调试事件的传播上,构建了与片上网络拓扑一致的事件传播网络,该网络在易于物理实现的同时具有事件传播延迟低的特点.在时间戳的同步方法上,提出了一种通过软硬件协同的时间同步方式,以很小的硬件代价实现了较精确的时间戳同步.     

多核处理器核间互连的新型互连网络

提出了一种用于片上核间互连的新型互连网络--基三分层互连网络. 该网络具有明显的层次性和对称性以及良好的扩展性. 与2-D Mesh相比,在网络规模不大时,基三分层互连网络更适用于构建片上核间的通信网络. 仿真结果表明,该网络具有较低的平均通信延迟和较高的平均吞吐率.     

多核及众核体系结构下线性代数算法研究进展

线性代数算法是科学和工程计算的核心算法,高性能计算机的硬件规模越来越大,体系结构越来越复杂,已有的包含这些算法的应用程序如何在当前体系结构的高性能计算机平台上获得较高的性能是当前研究必须解决的问题.本文综述在当前多核和众核的异构平台上线性数值计算方面的现状、存在的问题和面临挑战;对这些问题可能存在的问题进行系统的分析,并给出可能发展方向.     

一种面向多核处理器的2 GHz片上网络通信单元

提出了一种面向多核微处理器的2 GHz片上网络通信单元设计方案,通信单元能够在45 nm工艺下达到2 GHz的工作频率,流水线级数为2,最多支持8个双向通信接口,每个端口单向峰值带宽32 GBps.构建了一种16核处理器片上网络测试环境,测试结果表明：使用提出的通信单元构建的片上网络能够满足16核处理器存储系统对网络带宽的要求,在对访存优化的情况下,聚合带宽能够随着处理器核心与线程的增加而线性增加.另外,通信单元还具有可重用的特性,能够通过优化与扩展进一步应用于众核处理器片上网络.研究成果已成功应用于某国产16核高性能微处理器,片上网络实测频率达到2 GHz.     

异构多核处理器多发射动态调度技术研究

随着多核处理器片上集成核数的不断增多,并行任务的调度能力越来越成为制约性能提升的关键因素。文章设计一种面向异构多核计算系统的动态任务调度控制器,主要实现动态监控处理单元的负载情况、动态任务唤醒、乱序任务发射、任务写回安全管理等功能;研究一种降低计算任务结果数据回写双倍数据速率(double data rate, DDR)外存储器次数的方法,大幅节省了访存开销,进一步提升了计算性能。仿真及性能测试显示,在典型应用场景下,与已有的无动态调度功能的任务发射控制器相比,实现了显示并行化编程向任务并行的自动化控制过渡,编程友好度显著提高,在不同类型的测试案例中,分别提升了11.3%～37.9%的计算性能。     

动态可重构众核处理器仿真平台设计

针对众核处理器,提出了一种基于计算资源划分机制的动态可重构技术.该技术以虚拟计算群为核心,设计了基于硬件支持的动态可重构子网划分和动态可重构的Cache一致性协议以及动态在线的计算资源调度算法,并对系统级多核仿真平台Gem 5进行了扩展.同时,采用实际测试结果验证了众核处理器中动态可重构技术的有效性.结果表明,动态可重构技术可以提高众核处理器的资源利用率,实现动态可重构的Cache一致性协议以及单一矩形物理子网覆盖的子网划分机制.     

一种面向三维微处理器的新型片上网络拓扑

利用三维集成电路中硅通孔具有延迟短、功耗低的特性,针对10层以上硅片堆叠的三维片上网络,设计了一种新的拓扑结构3DE Mesh,并通过实验数据的分析,验证了3DE Mesh的性能和可扩展性.结果表明,3DE Mesh的性能和可扩展性均满足10层以上硅片堆叠的三维集成电路的要求.     

层次化片上多核处理器性能研究

层次化片上多核处理器紧耦合多个处理核构成"簇节点",对访存和片上通信的局部性有良好支撑,能有效地缓解片上多核间数据通信带来的通信开销。文章通过构建精细的层次化片上多核处理器仿真器,利用随机任务模型研究"簇节点"大小对系统性能的影响。仿真发现,一定系统规模下,要获得良好的系统性能,层次化片上多核处理器需要在"簇节点"数目与"簇节点"的大小(节点内处理核的数目)之间仔细权衡。     

基于KNL众核处理器平台的并行矩量法性能优化

基于Intel第二代Xeon Phi代号为Knights Landing(KNL)众核处理器平台,利用MPI+OpenMP混合编程策略对并行矩量法(Method of Moments, MoM)进行了优化.利用OpenMP编程技术和KNL的计算资源,提高了CPU(Center Processing Unit)使用率;线程的引入,大幅度减少了矩阵填充过程中进程间的冗余积分;为发挥KNL的512位矢量宽度优势,通过向量化优化进一步提高了循环结构的执行效率;对计算密集型、CPU利用率高的矩阵求解过程,通过引入的OpenMP编程策略,减少了MPI(Message Passing Interface)通信时间,加速了求解.数值结果表明,通过在KNL众核处理器平台上的优化,可以极大地提升矩量法计算复杂电磁问题的效率.     

基于动态用户融合的云计算架构

云计算是IT产业的第三次变革, 已成为互联网信息服务研究的热点, 并且各种云计算的产品相继出现. 云计算大多采用强数据中心和弱终端的架构模式, 建设这种架构的云计算中心, 需要大量的资金投入, 并配置高速的网络访问环境. 目前中国的网络带宽还难以满足这种云计算框架下服务的需求; 同时, 众多云计算中心的建立也可能在一定程度上造成已有PC设备资源的浪费. 提出了一种基于动态用户融合的云计算服务架构, 该架构通过将有一定存储能力和计算能力的用户终端动态地融合到数据中心, 使得云计算中心的规模能够动态地扩展或收缩, 让用户能够为云服务中的其他用户提供服务. 基于该框架, 设计和实现一个云服务视频点播系统. 实验表明, 该框架能够在保持云服务质量的同时允许动态扩充云的规模.     

支持云计算环境的MapReduce模拟器设计

针对云计算环境下很难确定出有助于实现良好性能的Hadoop参数集的问题,设计了一种MapReduce模拟器.首先,对Hadoop的各种参数进行建模;然后,集群读取元件从集群中读取参数,从而创建模拟的Hadoop集群环境;最后,利用作业跟踪器跟踪模拟的作业,并利用任务跟踪器运行单个任务.所设计的模拟器从多角度研究Hadoop应用的性能,集中模拟Hadoop的映射和化简行为,弥补了MRPerf设计的不足.在基准测试结果和用户自定义MapReduce应用中验证了模拟器的有效性.     

云计算模型在铁路大规模数据处理中的应用

对铁路行业的计算资源、数据处理进行了特征分析.探讨了云计算模型中的虚拟化技术在铁路计算资源整合及MapReduce编程模型在大规模数据处理中的应用模式.采用Hadoop开源平台和Intel的虚拟化管理平台Tashi,提出和实现了基于云计算技术的铁路数据处理框架模型,并通过大规模的货票数据处理实例验证了框架模型的可扩展性和高效性.     

引入资源即服务的云计算架构及其应用

提出引入资源的四层云计算构架,阐述资源在云环境中的必要性.同时从资源的角度,给出云和云计算的概念.设计云计算环境下的数据采集模型,并从数据资源的角度,设计应用广义搜索树的面向云计算的数据预处理机制.与已有的云计算构架对比,该构架更能体现出云计算技术的特性,为云计算提供了一个思考方向.     

基于Hadoop建立云计算系统

云计算是2007年底正式提出的一个新概念,本文分析了云计算的特征和Hadoop的作用地位.针对Hadoop这样一个在集群上运行大型数据库处理应用程序的开放式源代码框架进行了云计算平台的实现,并进行了实验验证.     

Transparent Computing: Spatio-Temporal Extension on von Neumann Architecture for Cloud Services

The rapid advancements in hardware, software, and computer networks have facilitated the shift of the computing paradigm from mainframe to cloud computing, in which users can get their desired services anytime, anywhere, and by any means. However, cloud computing also presents many challenges, one of which is the difficulty in allowing users to freely obtain desired services, such as heterogeneous OSes and applications, via different light-weight devices. We have proposed a new paradigm by spatio-temporally extending the von Neumann architecture, called transparent computing, to centrally store and manage the commodity programs including OS codes, while streaming them to be run in non-state clients. This leads to a service-centric computing environment, in which users can select the desired services on demand, without concern for these services’ administration, such as their installation, maintenance, management, and upgrade. In this paper, we introduce a novel concept, namely Meta OS, to support such program streaming through a distributed 4VP + platform. Based on this platform, a pilot system has been implemented, which supports Windows and Linux environments. We verify the effectiveness of the platform through both real deployments and testbed experiments. The evaluation results suggest that the 4VP + platform is a feasible and promising solution for the future computing infrastructure for cloud services.     

基于云计算的物联网系统架构研究

自温总理提出“感知中国”以来,物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一,并被写入“政府工作报告”。物联网在中国受到了全社会极大的关注,其受关注程度是其他各国无可比拟的。作为一项新兴产业,物联网在发展中不可避免地遇到了各层面的难题、挑战,而云计算的优势特性则能够给物联网的发展带来新的机遇。本文通过建立物联网云的系统架构阐述了云计算对物联网的技术支持及其意义。     

一种降低DRAM系统刷新功耗的混合主存设计

传统计算机体系结构中主存由动态随机存取存储器(DRAM)构成,而DRAM的刷新功耗随容量的增大而急剧增大.为应对这一问题,业界开始关注新型非易失性存储器(NVM).NVM具有掉电后数据不会丢失、不需刷新的优势,然而它们仍然处于研究阶段,单颗芯片的容量和价格不足以媲美DRAM,距离大批量投入商用仍有一段距离,因此,DRAM和NVM的新型混合主存结构被认为是下一代主存.本文提出一种SignificanceAware Pages Allocation(SA-PA)混合主存设计方案,通过将关键页分配到DRAM中,非关键页分配到相变存储器(PCM)中,采用DRAM和PCM并行结构,并采用Reset-Speed技术提高PCM的写速度,从而实现在不过分降低系统性能的前提下降低系统功耗的目的.结果表明,本文提出的SA-PA混合主存结构使得系统功耗平均下降25.78%,而系统性能仅下降1.34%.     

一种可行安全的校园云计算软件架构探究

本文针对校园云计算的实现做了一个探索,通过构建第三方监管平台,提出了一种可行安全的云计算软件架构,并讨论了这种软件架构的总体设计方法和确保云架构安全性的相关策略.这是一个独特和新颖的有关云计算的探究,以给相关部门和机构未来建设校园云平台提供参考.     

基于云计算的数字化校园建设研究

通过分析数字化校园建设的发展历程,发现云计算因其低成本,高效率的特性被越来越多的高校应用,成为未来数字化校园的发展趋势.文章提出了一个基于云计算的数字化校园建设构架.