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2011年度实验室重点项目成果

撰稿：摄影：发布时间：2011年12月20日

2011年度本实验室承担的重点项目所开展的研究内容，取得的研究进展与成果详述如下：

1）973项目“高通量计算系统的构建原理、支撑技术及云服务应用

本项目2011年的研究工作，主要围绕三个科学问题，在高通量计算系统的微结构设计、系统结构设计、可靠设计、云计算服务与应用等方面进行了探索研究，取得了一系列成果。总共发表学术论文93篇，其中SCI收录论文 24篇，EI 收录论文68篇，申请专利14项，授权专利3项，发表专著1部。各课题的主要成果统计如下表所示。

课题编号	课题名称	已发表论文				发明专利		出版专著
		国际	国内	其中SCI收录	其中EI 收录	申请	授权
		国际	国内	其中SCI收录	其中EI 收录	申请	授权
2011CB302501	面向高通量计算的可扩展、高效能并行微结构	20	3	7	15	4	0	0
2011CB302502	面向EB级数据并发处理的新型系统结构设计及评价方法	6	2	2	5	1	0	0
2011CB302503	大规模高通量计算系统的可靠性设计	17	0	4	13	2	0	0
2011CB302504	面向亿级并发负载的编程模型与支撑环境	6	3	3	6	1	0	0
2011CB302505	高通量计算系统的云计算服务环境	15	7	7	15	2	0	1
2011CB302506	高效可扩展移动服务关键技术及应用	10	4	1	14	4	3	0
合计		74	19	24	68	14	3	1

2）NSFC创新群体“超并行高效能计算机体系结构与设计方法研究”

在高性能计算机超并行体系结构；高效能计算机设计方法；多（众）核处理器的新型体系结构；多核处理器的低功耗设计方法；多核处理器的测试、验证与可靠设计方法；高性能计算机的并行编译方法等六个方面展开研究。具体研究内容和取得的成果分别如下：

2011年部署的研究内容	2011年取得的成果概要
高性能计算机应用特征分析与优化，分析代表性并行应用的运行时特征及对体系结构的需求，应用在特定体系结构下的优化方法，建立高效能评价的标准和方法	（1）基于HMTT3 内存分析系统，提出并实现了对象级访存行为分析。（2）在稠密矩阵算法基于GPU优化方面取得系列进展，总结了一类众核编程优化方法。（3）研究了大规模计算系统的算法容错技术，提出一种可扩展到E级的不停顿算法容错技术。
在16 核处理器原型芯片平台上开展高效能系统软件研究，包括编程模型的研究	本年度提出面向高效能系统软件的LogPCM模型，并从执行路径和软件循环角度分析系统软件能效挑战，从而为高效能系统软件的设计方法和构建提供评价的依据和指导。
（1）对微结构设计进行创新，提出新型的片上存储结构的设计方法。如主动回填式高速缓存设计、运行时可配置的数据-目录缓存设计、基于读访问的动态组相联低功耗高速缓存设计方法等。（2）面向高效能的并行体系结构硬件模拟平台研究与建设。	本年度对微体系结构中的存储管理微结构进行研究与开发；同时集成已有研究成果集成，研制出适用于并行高效能体系结构研究的硬件模拟平台。发表论文16篇，其中SCI期刊收录3篇，包括Communication of the ACM、IEEE Micro、JCST；EI期刊和会议收录7篇，包括HotChips、ISCAS等国际知名会议。申请发明专利3项。
研究多核CPU芯片可靠性设计方法，从体系结构级到电路级的自测试、自诊断和自恢复技术等	（1）基于自测试-自诊断-自修复思路的技术，用于解决因芯片老化故障带来的可靠性问题，论文工作发表在2011年9月IEEE Transactions on Computers上，也是该月该刊第一篇论文，是3S技术思路第一次完整的在期刊上发表。（2）新型存储器的duration非常重要，提出了一种平衡写的策略，该策略可将duration提高一个数量级，发表在集成电路领域顶级会议IEEE/ACM Design Automation Conference(DAC) 2011上。（3）多核系统双模冗余绑定难以扩展，提出了一种透明动态绑定方法，从缓存的数据更新只允许推数据，发表在计算系统可靠性领域顶级会议IEEE/IFIP International Conference on Dependable Systems and Networks ( DSN)2011上。（4）多核片上网络的热点问题突出，提出了一种基于算盘转向模型的热点避免路由算法，发表在计算机体系结构领域顶级会议IEEE/ACM International Symposium on Computer Architecture(ISCA) 2011上。 2011年本共发表论文19篇，其中著名期刊论文6篇（SCI），重要国际会议13篇。在一些重要工作会议上有突破，2011年在ISCA DSN，DAC上均有论文。在IEEE Transactions on Computers 上也有论文发表。
（1）开展高效能系统软件研究，包括编程模型、程序的多线程并行优化方法、并行编译方法、并行程序设计语言和工具。（2）研究针对服务器端的迭代编译策略。（3）研究针对二进制代码的分析手段、指标和方法，研究多线程程序确定性执行。（4）研究以QoS为目标的任务调度。	（1）在编程模型方面，我们提出了面向多核/众核的编程模型PTA，为大众程序员提供了友好的编程接口，使得用户可以较容易的将串行程序并行化。在并行编译方法方面，我们提出了一种领域专家协同的编译方法，由编译开发人员使用语义模式构建接口来持续的将领域专家的经验集成在通用编译器中。（2）在异构系统编程方面，针对优化异构平台上数据传输的静态划分的层次式异构分块的调度子句，研究了相关的编译支持技术和自动选优技术,并针对GPU平台上智能数据管理的方法进行了研究，提出OpenMP程序中编译支持的动态数据预取方法。（3）在迭代编译方面，针对面向数据中心和云服务器的在线迭代优化技术进行了深入研究。我们提出了一种数据中心和云端服务器的迭代优化策略IODC (Interative Optimization for the Data Center)。这一策略的关键在于仔细控制训练运行和重新编译的开销，以及改进的优化组合所带来的性能提升。（4）在基于程序动态行为分析的访存优化方面，针对非对齐访存优化技术、寄存器提升技术和运行时结构体拆分技术进行了深入研究，进一步提升了我们的动态二进制翻译系统和动态优化系统的性能。实验结果表明，我们提出的动态访存优化技术可以有效的降低访存延迟，加速程序执行。

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2011年部署的研究内容	2011年取得的成果概要
高性能计算机应用特征分析与优化，分析代表性并行应用的运行时特征及对体系结构的需求，应用在特定体系结构下的优化方法，建立高效能评价的标准和方法	（1）基于HMTT3 内存分析系统，提出并实现了对象级访存行为分析。（2）在稠密矩阵算法基于GPU优化方面取得系列进展，总结了一类众核编程优化方法。（3）研究了大规模计算系统的算法容错技术，提出一种可扩展到E级的不停顿算法容错技术。
在16 核处理器原型芯片平台上开展高效能系统软件研究，包括编程模型的研究	本年度提出面向高效能系统软件的LogPCM模型，并从执行路径和软件循环角度分析系统软件能效挑战，从而为高效能系统软件的设计方法和构建提供评价的依据和指导。
（1）对微结构设计进行创新，提出新型的片上存储结构的设计方法。如主动回填式高速缓存设计、运行时可配置的数据-目录缓存设计、基于读访问的动态组相联低功耗高速缓存设计方法等。（2）面向高效能的并行体系结构硬件模拟平台研究与建设。	本年度对微体系结构中的存储管理微结构进行研究与开发；同时集成已有研究成果集成，研制出适用于并行高效能体系结构研究的硬件模拟平台。发表论文16篇，其中SCI期刊收录3篇，包括Communication of the ACM、IEEE Micro、JCST；EI期刊和会议收录7篇，包括HotChips、ISCAS等国际知名会议。申请发明专利3项。
研究多核CPU芯片可靠性设计方法，从体系结构级到电路级的自测试、自诊断和自恢复技术等	（1）基于自测试-自诊断-自修复思路的技术，用于解决因芯片老化故障带来的可靠性问题，论文工作发表在2011年9月IEEE Transactions on Computers上，也是该月该刊第一篇论文，是3S技术思路第一次完整的在期刊上发表。（2）新型存储器的duration非常重要，提出了一种平衡写的策略，该策略可将duration提高一个数量级，发表在集成电路领域顶级会议IEEE/ACM Design Automation Conference(DAC) 2011上。（3）多核系统双模冗余绑定难以扩展，提出了一种透明动态绑定方法，从缓存的数据更新只允许推数据，发表在计算系统可靠性领域顶级会议IEEE/IFIP International Conference on Dependable Systems and Networks ( DSN)2011上。（4）多核片上网络的热点问题突出，提出了一种基于算盘转向模型的热点避免路由算法，发表在计算机体系结构领域顶级会议IEEE/ACM International Symposium on Computer Architecture(ISCA) 2011上。 2011年本共发表论文19篇，其中著名期刊论文6篇（SCI），重要国际会议13篇。在一些重要工作会议上有突破，2011年在ISCA DSN，DAC上均有论文。在IEEE Transactions on Computers 上也有论文发表。
（1）开展高效能系统软件研究，包括编程模型、程序的多线程并行优化方法、并行编译方法、并行程序设计语言和工具。（2）研究针对服务器端的迭代编译策略。（3）研究针对二进制代码的分析手段、指标和方法，研究多线程程序确定性执行。（4）研究以QoS为目标的任务调度。	（1）在编程模型方面，我们提出了面向多核/众核的编程模型PTA，为大众程序员提供了友好的编程接口，使得用户可以较容易的将串行程序并行化。在并行编译方法方面，我们提出了一种领域专家协同的编译方法，由编译开发人员使用语义模式构建接口来持续的将领域专家的经验集成在通用编译器中。（2）在异构系统编程方面，针对优化异构平台上数据传输的静态划分的层次式异构分块的调度子句，研究了相关的编译支持技术和自动选优技术,并针对GPU平台上智能数据管理的方法进行了研究，提出OpenMP程序中编译支持的动态数据预取方法。（3）在迭代编译方面，针对面向数据中心和云服务器的在线迭代优化技术进行了深入研究。我们提出了一种数据中心和云端服务器的迭代优化策略IODC (Interative Optimization for the Data Center)。这一策略的关键在于仔细控制训练运行和重新编译的开销，以及改进的优化组合所带来的性能提升。（4）在基于程序动态行为分析的访存优化方面，针对非对齐访存优化技术、寄存器提升技术和运行时结构体拆分技术进行了深入研究，进一步提升了我们的动态二进制翻译系统和动态优化系统的性能。实验结果表明，我们提出的动态访存优化技术可以有效的降低访存延迟，加速程序执行。