用于通用存储和神经形态计算的相变存储器的研究进展

存算一体技术目前被认为是一种可以消除冯·诺依曼计算架构瓶颈的可行性技术。在众多的存算一体器件中,相变存储器(PCM)因其具有非易失性、可微缩性、高开关速度、低操作电压、循环寿命长以及与现有半导体工艺相兼容等优点,被认为是未来通用存储和神经形态计算器件中最具竞争力的候选者之一。首先介绍了PCM的工作原理和器件材料结构,并详细讨论了PCM在通用存储和神经形态计算领域的应用。PCM具有高集成度和低功耗的共性需求,但这两个应用领域对材料性能有不同的侧重点。详细分析了PCM目前存在的优缺点,如高编程电流导致的功耗问题,以及商业化应用面临的主要挑战。最后,针对PCM的研究现状提出了一系列改进措施,包括材料选择、器件结构设计、预操作、热损耗降低、3D架构,以及解决阻态漂移等问题,以推动其进一步发展和应用。

祛魅与存真——人工智能时代的艺术存在方式探析

伴随着人工智能技术的快速更新迭代,艺术的存在方式也重新引起了人们的关注。人工智能时代的艺术存在方式,其最核心的内容依然是亘古常新的艺术与技术之间的关系问题。如果说19世纪以来摄影与录像、扫描与复制等技术的不断进步,已经促使人们对传统艺术的存在方式产生了越来越深的怀疑;那么20世纪中后期以来逐渐发展起来的数字技术、网络技术以及方兴未艾的人工智能技术,则彻底颠覆了人们对传统艺术存在方式的认知。伴随着技术性因素的不断发展,艺术的本质属性也在“祛魅”与“存真”的变迁与坚持中愈发清晰。未来的人工智能技术能否具备艺术创意的能力,已经不是技术本身的问题。艺术之为艺术,归根结底并不取决于技术性因素的变迁。

利用化学助剂强化CO_(2)埋存实验设计

结合储层CO_(2)埋存技术,自主搭建了地层温度压力条件下CO_(2)埋存实验装置,开展了多介质辅助CO_(2)埋存实验研究。研究结果表明,乙醇-KOH体系能够有效进行CO_(2)矿化埋存,其中96%乙醇+3 g KOH 500 mL溶液捕集CO_(2)能力最强,是最佳的CO_(2)矿化埋存溶液配比。经CO_(2)矿化埋存后,低渗透岩心孔隙度平均降低7.07%,孔隙度变化率与孔隙度呈正相关关系,渗透率平均降低16.01%。因此,96%乙醇+3 g KOH能够加速CO_(2)在储层中的CO_(2)沉淀过程,缩短CO_(2)在储层中的矿化埋存时间。该研究可重复性、准确性和可扩展性较强,能够激发学生自主设计实验的积极性及创新意识,培养学生的独立思考能力,有利于学生将理论知识与实际工程问题相结合,实现科研能力与创新能力的相互促进。

自体颅骨深低温保存方案的探索性研究

目的 探索自体颅骨冷冻保存方案,包括保存温度、保存时间、保存方法以及管理流程。方法 回顾性分析2016年1月—2021年12月于宁夏医科大学总医院神经外科行去骨瓣减压术+自体颅骨回植术的325例患者的临床资料,并结合相关文献进行复习。依据探索性保存方案使用之前和使用之后,将2016—2018年的数据分为旧管理组,2019—2021年的数据分为新管理组,进行两组数据自体颅骨回植效果的评价研究。结果 自体颅骨冷冻保存平均时间122.9 d。行回植术后平均住院时间为12.3 d,经过新保存方案和管理流程应用之后,颅内感染率由3.4%降低到1.7%。结论 -80℃深低温保存自体颅骨效果良好,可有效减少颅内感染发生率。

多GPU系统非一致存储访问优化:研究进展与展望

随着晶体管缩小速度的减缓,单GPU(Graphics Processing Units)的性能提升已经变得越来越具有挑战性,因此,多GPU系统成为了提高GPU系统性能的主要手段.然而,由于片外物理设计的制约,多GPU系统中处理器间的带宽不均衡导致了非一致存储访问(Non-Uniform Memory Access,NUMA)问题,严重影响多GPU系统的性能.为了减少非一致存储访问所导致的性能损失,本文首先分析了非一致存储访问出现的原因,并对现有的非一致存储访问解决方案进行了对比.针对不同维度的非一致存储访问,本文从减少远程访问流量和提升远程访问性能两个方向出发,对非一致存储访问的优化方案进行了总结.最后,结合这些方案的优缺点,提出了未来多GPU系统非一致存储访问优化的发展方向.

基于内存保护键值的细粒度访存监控

基于内存保护键值硬件扩展,提出了一种轻量化且细粒度的页保护机制。突破了传统页保护方法仅支持页粒度访存监控的技术局限,实现了能够拦截每个访存操作的细粒度页保护机制。充分利用内存保护键值提供的用户态线程局部页访问权限控制,性能开销相比传统页保护的降低了30%以上。通过融合细粒度页保护与编译插桩,弥补了传统编译插桩方法无法覆盖程序中不可重编译部分的局限性。

面向高密度闪存的内存页大小探索

近年来,固态硬盘SSD向高带宽、大容量的方向飞速发展。为了扩大SSD的容量,闪存页面从4 KB增长到了16 KB。然而,操作系统依然以4 KB内存页为粒度向SSD下发读写请求,导致应用难以充分利用SSD的高带宽。增加内存页面的大小,以使操作系统下发的I/O请求和SSD读写闪存的粒度统一是可能可行的解决方案。将首次深入探索内存页大小对系统I/O性能与SSD寿命的影响。具体来说,将内存页大小设置为16 KB,运行测试程序并将实验结果与4 KB内存页进行比较。得出以下结论:(1)16 KB内存页具有更好的读性能;(2)应用的写粒度决定了16 KB内存页的性能;(3)16 KB内存页放大了页内无效数据对SSD寿命的影响。

基于电压调控自旋轨道矩器件多数决定逻辑门的存内华莱士树乘法器设计

在使用新型非易失性存储阵列进行存内计算的研究中,存内乘法器的延迟往往随着位宽的增加呈指数增长,严重影响计算性能。该文设计一种电压调控自旋轨道矩磁随机存储器(VGSOT-MRAM)单元交叉阵列,并提出一种存内华莱士树乘法器的电路设计方法。所提串联存储单元结构通过电阻求和的方式,有效解决磁存储器单元阻值较低的问题;其次提出基于电压调控自旋轨道矩磁存储器单元交叉阵列的存内计算架构,利用在“读”操作期间实现的5输入多数决定逻辑门,进一步降低华莱士树乘法器的逻辑深度。与现有乘法器设计方法相比,所提方法延迟开销从O(n^(2))降低为O(log_(2)n),在大位宽时延迟更低。

存算一体技术研究现状

冯诺依曼计算机体系结构面临着“存储墙”的瓶颈,阻碍AI(Artificial Intelligence)计算性能提升.存算一体硬件结构打破了“存储墙”的限制,大大提升了AI计算的性能.目前存算一体计算方案已在多种存储介质上得到实现,根据计算信号类型,可以将存算一体计算方案分成数字存算一体方案和模拟存算一体方案.存算一体硬件结构使得AI计算的性能取得巨大提升,然而进一步发展仍面临重大挑战.本文对不同信号域的存算一体方案的进行了对比分析,指出了每一种方案的主要优缺点,也指明了存算一体技术面临的挑战.我们认为,随着工艺集成、器件、电路、架构,软件工具链的跨层次协同研究发展,存算一体技术将在边缘端和云端,为AI计算提供更加强大和高效的算力.

低渗透油藏注CO_(2)混相驱及CO_(2)埋存评价

注CO_(2)开发低渗透油藏不仅能增加原油采收率,还能将CO_(2)埋存在地下,实现双赢。为了明确X低渗透油藏注CO_(2)混相驱油机理、CO_(2)在地层中的运移规律以及埋存机理,利用实验和数值模拟相结合的方法,从注CO_(2)混相特征、注CO_(2)参数优化和CO_(2)埋存评价3方面对X低渗透油藏进行研究。结果表明:地层原油注CO_(2)最小混相压力为26.03 MPa,CO_(2)有降低原油黏度和密度的作用;通过参数优化确定的推荐注采方案与衰竭开采相比,累计增油量为96.21×10^(4)t,主力开发层系X4⁃2、X4⁃3提高采收率分别为9.37百分点、6.02百分点;CO_(2)注入地层后,随着时间的推移,在平面上不断向四周扩散,在纵向上受重力分异的作用向上运移;评价区块注CO_(2)驱推荐方案预计CO_(2)埋存量为68.08×10^(4)t,其中构造埋存量、束缚埋存量、溶解埋存量和矿化埋存量分别为42.20×10^(4)、17.79×10^(4)、6.24×10^(4)和1.85×10^(4)t。研究成果为低渗透油藏注CO_(2)驱及CO_(2)埋存提供了实验和理论的借鉴意义。

基于存算一体集成芯片的大语言模型专用硬件架构

目前以ChatGPT为代表的人工智能(AI)大模型在参数规模和系统算力需求上呈现指数级的增长趋势。深入研究了大型模型专用硬件架构,详细分析了大模型在部署过程中面临的带宽问题,以及这些问题对当前数据中心的重大影响。提出采用存算一体集成芯片架构的解决方案,旨在缓解数据传输压力,同时提高大模型推理的能量效率。此外,还深入研究了在存算一体架构下轻量化-存内压缩协同设计的可能性,以实现稀疏网络在存算一体硬件上的稠密映射,从而显著提高存储密度和计算能效。

中国卵巢组织冻存与移植后自然妊娠第2例报道

我国首个卵巢组织冻存库由首都医科大学附属北京妇产医院阮祥燕教授团队创建,该团队先后于2016年完成中国首例卵巢组织冻存与移植,2020年完成中国首例卵巢组织冻存与移植后妊娠,2021年报道中国首例卵巢组织冻存与移植后活产,至2024年已成功开展26例卵巢组织冻存与移植,移植患者全部恢复了卵巢功能并长期维持。本文报道再生障碍性贫血获得临床妊娠的患者,为中国第2例卵巢组织冻存与移植后妊娠病例。患者于外院经骨髓穿刺诊断为再生障碍性贫血(重型),2017年因药物、输血治疗效果欠佳,拟行异基因造血干细胞移植,因未婚未育,强烈要求生育力与卵巢功能保护,首都医科大学附属北京妇产医院对其进行综合评估后决定实施卵巢组织冻存,在全身麻醉下行腹腔镜下右侧卵巢切除术,手术顺利,取下的卵巢组织转运至首都医科大学附属北京妇产医院卵巢组织冻存库保存。造血干细胞移植后,患者于2018年行卵巢组织复苏与移植手术,手术顺利,无并发症发生。患者卵巢组织冻存与移植5年后结婚,卵巢功能维持良好,并于备孕4个月后自然妊娠,末次月经时间为2023年12月18日。

绿肥提高农田土壤有机碳固存机制的研究进展

土壤碳固存在缓解全球气候变化、维持农田生态系统生产力中起着十分重要的作用。农田土壤碳固存的决定因子包括气候因子(温度、降雨)、生物因素(微生物活性、酶活性)和非生物因素(土壤理化性质、团聚体组成及含量等),农田生态系统通过增加碳输入、减少碳输出和增加碳在土壤中持留时间三种途径强化土壤碳的固存。绿肥具有固定土壤碳、氮和调节土壤微生物群落结构等多重功能,将绿肥纳入作物生产中可通过减少有机碳矿化、增加土壤有机碳来源、调控土壤团聚化过程、促进微生物量及残体累积、改善微生物群落组成及代谢活性等多种方式协同提升土壤碳的固存,其作用可归纳为团聚体物理保护的物理固定机制、矿物化学结合的化学固定机制和微生物固定机制。目前采用的强化绿肥提升农田土壤碳固存的关键技术包括:1)选用适宜的绿肥品种;2)构建与区域土壤和气候资源相匹配的“主作物+绿肥”种植模式;3)配套绿肥与其他肥源协同增效的养分管理技术;4)优化耕作措施等。但还需进一步深入开展以下几方面的研究,包括:1)明确不同类型绿肥介导下的农田土壤碳固存机制的差异;2)强化高效固碳绿肥种质资源的选育;3)建立强化绿肥固存土壤碳的长效研究体系;4)构建基于绿肥的土壤有机碳管理框架。

一种基于“四区”的低渗透油藏CO_(2)埋存量计算方法及应用

CO_(2)驱油和埋存能有效减少温室气体排放量达到碳中和目标,已有的CO_(2)埋存量计算方法主要针对CO_(2)的静态埋存量进行粗略计算,未考虑实际生产过程中CO_(2)埋存量的变化。针对上述问题,运用CO_(2)溶解、CO_(2)波及体积和驱油机理,将CO_(2)驱油与埋存过程分为气相区、两相或近混相区、扩散区和油相区,并基于“四区法”计算CO_(2)埋存量,得到了不同烃类的注入孔隙体积倍数、注入压力、注气速度下的CO_(2)动态埋存量的变化规律。将研究成果应用于W油田低渗储层,结果表明:注入烃类孔隙体积倍数、压力、注气速度与总埋存量呈正相关性,当压力由12 MPa升至30 MPa,CO_(2)埋存总量增加15.53×10^(4)t;当注气速度由5 t/d增加至30 t/d,峰值CO_(2)埋存总量由3.51×10^(4)t提高至12.62×10^(4)t。研究成果可为同类油藏开展CO_(2)驱油与埋存项目提供新的思路。

基于原补码实现的位串行SRAM存内计算

针对目前大多数存内计算无法独立处理非卷积计算的问题,提出了一种将转置8T单元与基于向量的位串行存内运算相结合的通用混合型存内计算.采用原码一位乘、补码加法和溢出激活处理,可支持任意位宽的整数/小数及正/负数的乘累加操作,也可单独完成池化和激活操作,为从神经网络到信号处理等软件算法的发展提供了必要的灵活性和可编程性,减少了数据在总线上的传输.提出的存内计算在1.2V和500MHz条件下对8位运算的吞吐量为71.3GOPs,能效为20.63TOPS/W,支持灵活位宽的卷积操作,同时减少了数据移动,提高了能效和整体性能.

面向DCU的LDS访存向量化优化

在深度计算器(DCU)中,本地数据共享(LDS)是相较于全局内存延迟更低、带宽更高的关键存储部件。随着异构程序对LDS的使用越来越频繁,LDS访存效率低下成为限制异构程序性能的重要因素。此外,LDS访问过程中存在bank冲突的特性,使LDS的访问应遵循一定原则才能高效利用,当线程间的数据访问呈现重叠的访存特征时,访问向量化指令会因此产生延迟。针对此问题,提出面向DCU的LDS访存向量化优化方法。通过实现连续数据访问的向量化,减少LDS的访问次数,降低访存耗时,由此提高程序访存效率。在此基础上,通过设计访存特征的判断方法,提出能够有效解决数据重叠的LDS访存向量化方法,实现一种面向国产通用加速器的LDS高效访存技术,确保向量化方法对访存效率的有效提升。实验结果表明:在使用LDS的异构程序中,LDS访存向量化实现后程序性能平均提升了22.6%,验证了所提方法的有效性;同时,向量化方法能够实现LDS线程间访存数据重叠问题的优化,使异构程序得到平均30%的性能提升。

浅埋滴灌下玉米秸秆不同还田年限土壤有机碳固存特征及其影响因素

外源有机物(秸秆)添加直接影响耕层土壤有机碳的周转,研究浅埋滴灌条件下玉米秸秆持续还田土壤有机碳固存及其影响因素对西辽河平原灌区玉米可持续生产与耕地地力提升具有重要意义。本文基于连续7年的田间定位试验,设置玉米连作秸秆连年全量还田0年(0a)、3年(3a)、5年(5a)和7年(7a)4个处理,探讨玉米秸秆不同还田年限对土壤结构、胞外酶活性、有机碳组分含量、碳储量、固碳量和碳库管理指数的影响。与0a处理相比,0~30 cm土层3a、5a和7a广义土壤结构指数分别增加1.65%、1.99%和3.33%,土壤三相结构距离分别降低5.55%、6.65%和12.7%;0~30 cm土层3a、5a和7a土壤β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和土壤β-葡萄糖苷酶活性分别提高4.34%、13.0%、15.9%和12.1%、16.3%、20.9%,土壤纤维素酶和土壤蔗糖酶活性分别提高5.86%、13.4%、19.2%和12.6%、21.3%、34.1%;不同处理间几何平均酶活性和总体酶活性差异显著,0~30 cm土层3a、5a和7a几何平均酶活性和总体酶活性较0a分别提高8.63%、15.90%、22.25%和9.12%、17.19%、25.09%。土壤有机碳、易氧化有机碳、水溶性有机碳和微生物量碳含量及其储量均表现为3a、5a和7a显著高于0a,0~30 cm土层3a、5a和7a土壤有机碳和土壤易氧化有机碳含量较0a分别提高13.4%、32.7%、42.7%和17.5%、27.5%、42.5%,土壤水溶性有机碳和土壤微生物量碳含量较0a分别提高13.2%、18.5%、28.5%和33.9%、45.3%、56.1%;同时0~30 cm土层3a、5a和7a土壤有机碳和易氧化有机碳储量分别提高11.6%、29.5%、36.2%和14.9%、23.8%、35.5%,土壤水溶性有机碳和微生物量碳储量分别提高10.7%、15.2%、22.3%和31.0%、41.0%、48.5%。0~30 cm土层5a和7a土壤固碳量均显著高于3a;0~30 cm土层各处理碳库指数和碳库管理指数差异显著,5a和7a较3a分别提高17.0%、26.1%和7.00%、19.9%。土壤结构稳定性、胞外酶活性与土壤固碳量和碳库管理指数的相关分析和冗余分析结果表明,土壤β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性、液相体积分数、三相结构距离、纤维素酶活性和β-葡萄糖苷酶活性是影响玉米秸秆不同还田年限土壤有机碳固存的主要因素,其解释率分别为76.0%、4.10%、3.30%、1.70%和3.40%。浅埋滴灌下玉米秸秆连续还田7年改善了土壤结构的稳定性,提高了与土壤碳素相关的土壤胞外酶活性,进而提升了土壤有机碳固存和碳库指数。

基于炎症大鼠代谢组学的马钱子炮制减毒存效机制研究

运用动物模型、血浆药物化学及代谢组学方法,探讨马钱子炮制前后干预炎症大鼠作用机制。按不同剂量灌胃小鼠,以死亡率初步考察炮制前后毒性;建立大鼠蛋清性足跖肿胀模型,通过肿胀率和炎性因子水平评价炮制前后抗炎效果;采用高分辨质谱结合多元统计学,鉴定入血后的移行成分及相应的代谢产物;比较分析各实验组代谢轮廓及差异生物标志物,并构建其代谢通路。结果显示,高剂量下马钱子砂烫品的毒性要明显低于生品。生品和砂烫品均能显著降低大鼠足肿胀率和肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白介素-1β(IL-1β)、白介素-6(IL-6)的水平,炮制前后在抗炎效果上差异无统计学意义(P>0.05)。通过血浆药物分析,鉴定出了12个移行成分,以及相应60个代谢产物,S-plot鉴定出10个差异性化合物。代谢组学实验共发现10个内源性代谢物含量发生显著变化(P<0.05),生物标志物主要涉及苯丙氨酸代谢、甘油磷脂代谢、谷氨酸及谷氨酰胺循环、精氨酸和脯氨酸代谢等途径。通过本研究确证马钱子生品和砂烫品均有较好抗炎治疗作用,高温炮制可以降低马钱子毒性;入血后有效成分应多为生物碱,经过I相反应就容易被体内清除;马钱子炮制抗炎、镇痛、减毒机制主要与氨基酸和脂质代谢相关。该实验结果进一步阐明了起效物质基础及体内作用机制,为后续炮制工艺改进和新药研发等提供科学支撑。

中国第2例冻存卵巢组织自体移植5年后活产报道

卵巢组织冻存与移植(ovarian tissue cryopreservation and transplantation,OTCT)指在患者卵巢功能严重受损前,将部分卵巢组织经手术取出,采用低温生物学方法将其冷冻保存,待原发病治疗结束后再将冻存的卵巢组织复苏、自体移植,恢复卵巢的生殖与内分泌功能,有效防治医源性POI[1]。OTCT可一次性保存成千上万枚卵母细胞;无需促排卵,不会延误原发病的治疗;不仅保护生育能力,还可保存卵巢内分泌功能;是亟需原发病治疗的患者及青春期前女童唯一的生育力保护方法[2-5]。

针对深度学习中不规则内存访问的高吞吐内存管理单元

人工智能应用的多样化与复杂化导致了算法模型的不规则内存访问,即集中突发的访问请求与稀疏的访问地址,从而给智能应用在内存资源严格受限的移动端设备的部署带来了挑战。这种不规则的内存访问导致了现有架构中内存管理单元(MMU)的地址转换面临低吞吐和长延迟的问题,使其成为系统访存通路的瓶颈。针对上述问题,本文提出了一种新的高吞吐MMU架构方案(HTMMU),通过多流并行,加强冗余请求的过滤,合理地分配有限的片上存储资源等手段,从而能高吞吐、低延迟地处理不规则访问的地址转换,提升系统访存效率。实验结果表明,在处理人工智能算法内突发的稀疏访存时,相较于当前主流MMU设计方案,HTMMU平均获得了2.43倍的性能提升,而平均访问延迟降低为原先的34.1%,同时将额外面积开销控制在3.0%以内。