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指南通告
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执行情况
2015年度开放课题指南
撰稿:
摄影:
发布时间:2015年09月29日
一
、
简介
计算机体系结构国家重点实验室是我国计算机系统结构领域的重要科研基地之一。它的主要任务是研究和发展计算机系统结构相关领域的基础理论和关键技术。现阶段重点围绕超并行计算机系统和多核处理器开展基础研究和高技术前沿探索,为高性能计算机系统和高性能处理器设计领域的发展持续提供创新方法和关键技术。为提高实验室的开放层次,提高学术水平和技术水平,增进国内外学术交流与合作,促进人才流动与学科交叉渗透,特设开放研究课题。欢迎国内外相关领域的科研工作者参与实验室的开放课题研究。
二
、
指南的制定原则
为促进计算机系统结构领域内的新理论、新思想和新技术、新方法的发展,加强国内外学术思想与人才的交流,本实验室特设立开放研究课题,资助有关人员来本实验室从事计算机系统结构的基础理论、关键技术研究和应用基础研究。
指南的制定原则如下:
1、根据我国计算机系统结构领域的发展战略,着眼于国民经济建设的当前和长远的需要和国际学科发展的前沿;
2、鼓励具有开拓性、前瞻性、创造性和高层次理论和技术的自主创新研究及具有重大应用前景的项目;
3、利于促进多学科的交叉渗透和多部门的联合攻关,有利于建立和发展国际合作的新格局,有利于人才培养和学科的发展;
4、鼓励和支持从事计算机系统结构的青年科技工作者,尤其是博士后、博士生和海外留学人员在本实验室进行开放课题研究;
5 、资助项目的申请者要求与本室科研人员协同工作。
三、本年度建议开放课题的研究方向
本年度建议开展课题如下(可不限于以下课题):
题目1
:安全敏感混合关键实时系统的设计技术研究
研究内容
:
混合关键(Mixed-Criticality)实时系统作为嵌入式系统快速“集成”发展的产物,成为了近几年的最新研究热点。下一代航空电子系统或汽车电子系统,作为典型的混合关键实时系统,它能够在集成化平台上支持多种关键应用,比如防危关键、任务关键和非关键应用集成。混合关键实时系统广泛应用于国家关键信息领域,具有强大的社会和经济价值,因而设计成本有效的混合关键实时系统成为当前国际工业界、学术界和国际标准组织的主要任务。混合关键系统面临着安全性多样化的艰难挑战,然而当前混合关键实时系统的研究缺乏对安全性考虑,不适用于安全敏感的混合关键电子系统,因而设计安全增强的混合关键实时系统成为势在必行的工作。该课题研究内容重点分布在:
1) 安全增强混合关键实时系统的系统级设计框架,并着重考虑安全与容错、低功耗等因素的交互影响,试图实现对混合关键实时应用的设计指导和管理;
2) 安全关键度驱动的分布式多处理器平台资源映射调度,进而提升混合关键实时应用在安全敏感分布式系统中的性能;
3) 软/硬件协同支撑的安全敏感混合关键系统的相关设计和优化方法;
题目2
:GPU片上存储的管理算法研究
研究内容
:
现代的图形处理器(GPU)已成为广泛使用的高性能计算平台。GPU对多种不同的应用都有着巨大的计算潜力。随着越来越多的通用应用程序被移植到GPU上执行,这也加剧了GPU资源的竞争,特别是片上存储的竞争。因此,有效的片上存储的管理算法是提高GPU系统性能的关键。该项研究针对目前主流的GPU架构,探讨其片上缓存,寄存器,scratchpad memory的管理技术,并结合应用的特点研究算法的可扩展性,为高性能片上存储提供系统的技术支撑。研究内容重点分布在:
1) 将寄存器分配纳入片上存储的设计,建立灵活的针对众核架构的寄存器分配策略。
2) 针对特定应用,研究scratchpad memory的分配策略。
3) 研究非易失性存储器(nonvolatile memory)在GPU片上存储中的应用。
题目3
:面向基于新兴非易失存储的单级存储模型的操作系统研究
研究内容:
近年来,PCM、STT-RAM等各种新兴存储介质不断涌现,由于其具有较高的存储密度、较低的静态功耗、字节寻址以及非易失等特性,给面向特定应用的新型体系结构设计带来了难得的机遇。然而,给操作系统设计也带来了巨大挑战。表现在,传统软件栈针对二级存储模型,已经无法满足具有低延迟特性的单一存储结构,必须结合应用特点和存储介质特性全方位优化存储软件栈,降低软件所占开销;在移动金融、电子商务等关键应用中,必须防止由于网络中断、异常断电、系统崩溃带来的崩溃一致性问题。现有解决方案针对传统二级存储模型,已经无法适应新兴存储介质。必须对持久化一致性模型、事务等机制进行全新设计。
具体研究内容如下:
1)定义单一新兴存储介质环境下内存管理和文件系统管理的基本功能,将现有操作系统中虚拟内存管理和文件系统管理两项功能模块进行有机融合;
2)设计针对新兴非易失存储介质的内存一致性模型,借助处理器提供的新硬件特性,设计高效的事务机制(包括事务内存)、降低同步开销,提高事务并发度。
题目4:
GPU并行算法可扩展性开发与性能调优
研究内容
:
随着互联网大数据时代的来临,GPU等协处理器凭借其众核结构所特有的高并发和高内存带宽,促使CPU-GPU异构计算平台为大数据背景下的高性能计算提供了良好的硬件和技术支撑。基于GPU的算法并行化设计也逐渐成为高性能计算领域的重点研究课题,可扩展性是反映并行系统的性能与处理节点数目成线性比例的度量参数。实际应用中,大部分算法GPU并行化的性能并不会随着处理节点数目的增加而提高。该项研究针对单台机器多GPU卡、多台机器多GPU卡两种环境中GPU并行计算可扩展的问题,在深入分析等效率、等速度和平均延迟三种可扩展性度量标准的基础上,综合考虑并行算法运算特征与并行系统结构特征并提出新的可扩展性分析模型,用于指导GPU并行算法的可扩展性开发与性能调优。
项目研究重点主要包括:
1) 综合考虑等效率、等速度和平均延迟三种可扩展性度量标准,分析这三种标准在度量算法在GPU并行化过程中可扩展性时的局限性。
2) 研究CPU-GPU异构平台的体系结构下,提出面向CPU/GPU异构计算系统的可扩展性分析模型和扩展方法。算法在GPU集群组合扩展的过程中,可基本保持计算/协同开销比不变。
3) 典型的GPU并行算法的可扩展性测试与性能调优。
题目5:
基于内存计算的海量数据扁平化索引机制研究
研究内容:
当前大规模存储系统需要存储和管理海量的数据,需要提供高效、实时和可靠的存储服务。基于内存计算的存储组织体系结构是一种有效的解决方式,已引起国内外的广泛关注。然而,在内存计算的体系结构下,如何组织和检索数据仍是一个有待解决的重要和关键问题。采用扁平化的数据组织和索引模式能够充分利用内存计算的器件在读写速度、生命周期和并行性等方面的特点,有效地支持巨大规模,异构表示和动态变化的海量数据的存储和分析。研究内容重点分布在:
1) 融合支持内存计算的器件的物理特征,构建海量数据的存储结构和索引模式,有望在数据组织模式上取得突破;
2) 在轻量级扁平索引的存储结构中,注重研究基于扁平化哈希算法的实现机制,解决潜在的哈希冲突问题;
3) 注重分析面向异构多源的海量数据的访问模式和存储器件的物理特征,研究超低复杂度的快速索引机制和实现算法。
题目6:
RSOC模型及相关设计算法研究
研究内容:
低功耗芯片在各种应用领域中发挥着越来越重要的作用,尤其是在现代计算和嵌入式无线系统中的应用倍受关注,因而研究芯片的低功耗设计技术具有十分重要的实用价值和理论价值。当前,集成电路的设计方式正在从SOC向RSOC进行过渡,由于SOC与RSOC有本质的区别,需要提出新的理论和新的算法来解决RSOC设计中所面临的新问题。目前关于低功耗RSOC的设计问题在国内外所进行的研究很少,集成电路设计的经验表明在高层次对设计进行功耗优化的效率要比在低层次进行功耗优化的效率高。因此本项目将研究从系统描述到RSOC结构的低功耗映射问题,提出新的模型、理论和映射算法来解决RSOC的低功耗设计问题,以提高人们对RSOC低功耗设计问题的认识和加速低功耗RSOC的自动化设计。我们将采用一些已经设计成功的RSOC芯片对本研究中所新提出的模型和算法进行验证。
题目7
:针对开放框架应用的辅助测试调试方法
研究内容
:
现代大型软件系统往往基于各种可扩展的框架或库(如Hive/Hadoop, ASP.net,Android SDK,Boost等)。这些框架对具体软件架构进行有效抽象,使其可以非常方便地得到重用,从而大大降低开发成本。而对于基于开放框架的软件应用来说,其最常见的一类错误是开发者没有严格遵循框架内部的一些约束条件(例如限制框架内部一些具体对象的访问模式)而导致的。而且这类错误直接触发的程序异常状态通常不能直接关联到框架内部约束条件上,因而非常难于进行测试和调试。本项研究针对基于开放框架开发的软件应用,研究如何有效通过程序分析和用户辅助描述来帮助解决上述问题,研究内容重点分布在:
1) 如何通过程序分析技术将错误触发的语句自动关联到可能导致错误出现的框架接口函数
2) 如何让用户准确描述框架内部限制条件,并通过描述的限制条件进一步精确定位错误根源
3) 如何通过自动的方法推导出可能存在的约束条件
题目8
:Reed-Muller逻辑电路极性优化方法研究
研究内容
:
与传统布尔逻辑电路相比,以XNOR/OR门或XOR/AND门为基本单元的Reed-Muller逻辑电路在功耗、面积、速度及可测试性等方面具有更大优势。极性是Reed-Muller展开式的重要属性,直接决定展开式的繁简,进而影响电路的功耗、面积、延时等性能。目前,Reed-Muller逻辑电路极性优化理论和技术尚不成熟,难于满足Reed-Muller电路优化的需要。因此,开展Reed-Muller逻辑电路极性优化方法研究势在必行。
该项研究针对当前Reed-Muller逻辑电路极性优化中存在的搜索最佳极性能力差、极性转换效率低及极性优化效果欠佳等共性问题,研究Reed-Muller电路的极性优化算法、极性遍历策略、多目标综合优化方案以及包含无关项的Reed-Muller电路极性优化算法,以充实和完善Reed-Muller逻辑电路极性优化方法体系。
主要研究内容如下:
1)将智能优化算法引入Reed-Muller逻辑电路极性优化,建立面向中大规模电路的极性优化算法,并设计适用于Reed-Muller逻辑更为高效的智能优化算法;
2)将现代优化理论引入Reed-Muller逻辑电路极性遍历顺序问题,探索具有较高极性转换效率的极性遍历策略;
3)研究适用于Reed-Muller逻辑电路的多目标优化算法,并建立Reed-Muller逻辑电路多目标综合优化方案;
4)设计从包含无关项的布尔展开式获取包含无关项的Reed-Muller展开式的转换算法,并研究包含无关项的Reed-Muller逻辑电路极性优化算法。
题目9
:基于动态逆向分析的软件漏洞分析方法研究
问题描述:软件漏洞是信息系统安全的主要威胁,尽管各大软件厂商在不断改进和完善软件开发质量管理,但仍然无法避免软件漏洞问题的出现。目前,软件漏洞分析方法研究已成为国内外学者和技术爱好者共同关注的热点问题,已有的研究主要可以分为静态分析和动态分析两大类。其中静态分析主要是以源码或者反汇编后的二进制代码为基础,通过推理和计算程序的状态来对软件漏洞机理进行探究,但由于现实环境中源码难以获取或者反汇编代码的不完整性,导致基于静态方法的软件漏洞分析工作存在各种局限性。而现有的动态分析方法则主要以程序插装、动态调试等技术手段为基础,通过跟踪程序的运行过程来实现软件漏洞的机理分析,但由于程序插装和动态调试对于程序运行效率和环境的改变,导致目前的动态分析方法难以快速有效的捕获到软件漏洞成因。目前,基于硬件虚拟化技术的软件动态逆向分析(简称“动态逆向分析”)方法不仅提供了完全透明的系统运行环境,同时通过优化后的动态编译技术保证了系统运行效率,因此,研究基于动态逆向分析的软件漏洞分析方法不仅能够弥补传统分析方法的各项不足,同时还能够为软件漏洞防御工作提供必要的运行时信息。
研究内容:
1)基于硬件虚拟化的操作系统语义识别方法研究
2)基于动态分析的细粒度数据流分析方法研究
3)软件漏洞要素的自动化或半自动化提取方法研究
4)软件漏洞利用路径的自动构造方法研究
题目10:二维粗粒度可重构体系结构流水化时域映射方法研究
二维粗粒度可重构体系结构CGRA (Coarse Grained Reconfigurable Architectures) 是一种可重构处理器,CGRA既具有专用集成电路高的计算速度和效率,又具有通用处理器的可编程性和良好的灵活性,在处理位数宽的字级逻辑等运算时优势明显。但是,可重构处理器在物理结构和执行方式上都与通用处理器存在显著差别,开发一套针对可重构处理器的任务编译器变得十分重要。计算密集型任务关键循环消耗了大量的编译时间,如果将其展开为中间表示数据流图DFG(data flow graph)的形式,并映射到一块或多块CGRA架构上去执行,将大大提高关键循环的执行效率。关键循环DFG的时域映射是任务编译器要解决的瓶颈问题和重要组成部分。本课题针对二维CGRA关键循环DFG的时域映射方法展开如下研究:(1)时域划分映射的对象关键循环DFG的提取与优化;(2)总线、路由、数据线直接互连三种CGRA架构时域映射方法;(3)总线、路由、数据线直接互连三种CGRA架构设计方案;(4)总线、路由、数据线直接互连三种CGRA架构动态功耗建模、求解与评测。
预期成果:发表SCI、EI国内外期刊和会议论文3-5篇,申请发明专利1-2项,研究成果将为可重构处理器的任务编译器研制和二维CGRA设计人员提供理论基础和技术支持。
题目11
:加密芯片的安全可测试性设计技术研究
摘要:
近年来,安全是芯片设计中的热点问题。对加密芯片而言,安全问题尤其突出。大量研究表明这些芯片很难抵抗一些旁路攻击。用于集成电路测试的扫描链结构就是一个不容忽视的旁路。
扫描链结构是目前应用最广泛的可测试性设计。但是,扫描链结构却对加密芯片的安全造成了极大威胁。因为攻击者可以轻松的利用芯片内的扫描链作为旁路进行密钥分析,破解加密芯片。与其他旁路攻击不同的是,扫描旁路攻击并不依赖那些用于搜集分析功耗、时序等参数信息的设备。这使得扫描旁路攻击的实施更加简便,潜在的危险性更高。从2004 年第一个扫描旁路攻击提出至今,扫描旁路引发的安全漏洞已经成为IC 设计和测试业界关注的焦点。
因此,必须研究安全的可测试性设计技术以解决加密芯片所面临的安全方面的挑战。本项目基于密码学哈希函数的安全性,研究兼顾密码芯片安全性和可测试性的扫描链设计技术,旨在通过对扫描链输出进行基于哈希函数的后处理,为加密芯片实现抗扫描旁路攻击的安全可测试性设计。
研究成果将以论文形式发表。
题目12
:基于会议文献科学计量分析的国重实验室竞争力研究
研究内容
:
目前,计算所的重点学科:新型计算机体系结构和高性能计算、编译与编程、VLSI与容错、微体系结构等都处在快速普及、蓬勃发展的历史时期,如何保持计算所在前沿研究方面具有较强的竞争力和后劲,就必须在战略规划阶段就做好充分地调查研究,提高规划的科学性和预见性。该项研究针对遴选出的优质会议近几年发文数据进行论文产出对比分析,以期对国重实验室在国际国内的论文产出情况进行比较全面的了解,使国重实验室的研究团队及时把握国内外同行进展,掌握国重实验室在所属领域的全球相对研发实力、中国相对研发实力和核心会议论文的产出及分布情况。研究内容重点分布在:
1) 对会议的论文数量、发表年代、国家机构信息等多种指标进行多维度组合的分析,了解国重的发文年度趋势和发文分布,并和国内外相关机构作对比;
2) 针对体系结构国家重点实验室建设的评估的要求,提供《计算所体系结构国家重点实验室竞争力分析报告》;
3) 课题执行期内对国家重点实验室提出的论文检索等需求提供数据和支撑。
题目13
:面向数据中心能耗优化的网络资源调度技术研究
研究内容
:
数据中心网络是数据中心服务器大规模互联,提供多租户大型分布式计算环境的桥梁,其能耗优化问题也成为研究热点。当前关于低能耗计算环境的研究多从局部角度展开,随着网络虚拟化、跨数据中心网络互联等技术大量采用,对数据中心网络的能耗优化研究提出了全局化、多层次协同的要求。该项研究针对数据中心富连接网络,探讨数据中心虚拟化网络互联、网络拓扑重构技术,针对多租户虚拟化网络资源能耗优化问题,基于SDN全局控制技术研究网络资源的多层次协同调度方法,为实现低能耗数据中心网络提供技术手段。研究内容重点分布在:
1) 研究面向流量整合的虚拟网络互联拓扑重构方法,尝试在高效能虚拟化网络互联通信协议方面实现技术突破;
2) 结合虚拟网络拓扑动态可调性、物理传输网络多路径多粒度特性,研究多租户共享数据中心网络的环境下,面向网络能耗优化的多层网络资源协同调度策略;
3) 基于SDN技术研究多租户虚拟网络与物理网络的流量整合、拓扑映射方法和关键技术,提供网络资源多层协同调度原型系统。
题目
14
:
面向操作型商业智能系统的基准研究
研究内容:
依赖OLAP分析技术的传统商业智能系统主要对历史数据(比如一天前)进行批量分析,无法对包含业务系统最新产生的数据进行分析,进而分析结果不能实时体现业务系统的最新变化。在一些如移动、电商等存在用户实时画像需求的应用场景中,迫切需要支持操作型商业智能的数据分析系统。该类系统能够同时对历史数据和最新数据进行实时OLAP分析,为企业提供个性化、实时的商业决策支持。因此,操作型商业智能系统逐渐引起学术界和企业界的重视。然而,目前缺少合适的基准来评价这类系统的性能。本项研究力图在大数据应用背景下,构建能够有效评价操作型商业智能系统的基准。研究内容重点分布在:
1) 模拟大规模用户的在线行为,产生具有大数据特征的用户行为日志数据;
2) 以实时用户画像构建为驱动,设计包含实时性强弱不同的数据分析负载;
3) 设计包括吞吐量、数据延时、处理性能、系统扩展性、容错性等在内的性能度量指标及相应的测量方法。
本成果最终会发布为开源软件。
四、本年度开放课题申请书提交时间及联系方式
2015开放课题申请书提交时间:2015年10月30日之前。
附件:
uploadfile/2014/0930/20140930100920872.doc
申请书一式四份,签字盖章后寄至:
北京市海淀区科学院南路6号 中国科学院计算技术研究所计算机体系结构国家重点实验室(邮编:100190)
董慧(收)
申请书电子版请传至:
donghui@ict.ac.cn
联系人:董慧;
电话:010-62600600;
Email:
donghui@ict.ac.cn
传真:010-62600600
附件下载:
开放课题