序言:DNA数据存储技术与应用

计算机、互联网、人工智能等技术的发展推动人类文明的进步,同时也给人类社会带来海量的数据。传统的存储介质如磁带、硬盘等存在存储周期短、存储密度低等问题。寻找新兴的存储介质具有重要价值。基于DNA的数据存储介质存储密度高于传统介质6个数量级以上,存储周期可达千年,是应对未来数据存储挑战的重要战略技术之一,在长期冷数据、国家档案数据、高度加密数据存储领域具有重要意义。本期专题针对目前DNA信息存储的核心进展、存在的问题以及未来技术发展进行了系列讨论。其中,中国科学院深圳先进技术研究院为主科研团队[1]提出了“基于混沌系统和喷泉码的DNA加密编码方法”,在DNA喷泉码编码过程中利用混沌系统加密,一方面保留DNA喷泉码优势,同时保障了喷泉编码的安全.

基于混合存储结构的分级协同节能方案

新能源的应用已成为一种趋势,但具体到存储I/O领域,存储设备通常会根据存储负载的强度进行节点调度,而不规则波动的新能源和存储负载之间存在波峰波谷错位匹配的问题,增加了存储设备的调度难度。提出了一种针对NVM-SSD混合存储介质的分级协同节能方案MixSave,为每一层提供定制化节能方案并且协同调度,提升了新能源能效比。基于NVM和SSD存储介质的性能与能耗特点,MixSave采用NVMSSD的高性价比分级存储架构,为用户提供高性能、大容量存储服务,并且通过副本保证数据可靠性。NVM作为缓存层采用负载驱动型方案,以保证性能为优先目标,即根据负载变化动态调整高功耗状态的NVM设备数量,满足负载需求;SSD作为数据层采用新能源驱动型节能方案,以提升新能源利用率为目标,根据新能源的变化动态调整SSD启用数量,进行缓存数据同步与预取。测试表明,与未采取节能措施的标准方案相比,MixSave性能下降不超过4%,在轻负载模式下,MixSave可节省73%~80%的传统能源,在重负载模式下,可节省55%~61%的传统能源。

档案数字资源光盘存储管理要求

光盘是信息时代重要的数据存储载体之一,因其具有通用性高、单盘价格低、一次性写入不可修改等特点,亦是档案行业常用的档案数字资源存储载体之一。经调研,78%的副省级以上综合档案馆已采用光盘开展档案数字资源存储和备份相关工作。经过数十年发展,光盘技术从CD、DV D到BD,容量越来越大,技术日趋成熟。档案行业也因单盘存储容量等问题,CD、DVD逐步被BD所取代。

光学存储专利技术现状

随着大数据、云存储、人工智能的发展,对存储技术要求越来越高,光存储技术具有寿命长、安全可靠和低成本等优点,已应用普及到各行各业中。然而,其数据存储容量受到光衍射极限的限制,如何突破光衍射极限,提高光存储技术光学系统的分辨率,从而增加光存储系统的数据存储容量,是当前光存储技术与大数据、云计算等技术进一步融合的关键。近日,上海光机所与上海理工大学等科研单位合作,在超大容量三维超分辨光存储研究中取得突破性进展,推出的“超级光盘”登上了热搜,其突破了衍射极限的限制,实现了点尺寸为54nm,道间距为70nm的超分辨数据存储,完成了100层的多层记录,单盘等效容量达Pb量级。经老化加速测试,光盘介质寿命大于40年,是国际上首次实现Pb量级的超大容量光存储。

浅析集中式存储与分布式存储在医疗应用中的优劣

医院信息集成平台是医疗行业信息化建设的重点,底层存储架构平台是其中的重要一环。市场上的存储架构主要有集中式和分布式两种技术路线。其中集中式存储具有较好的稳定性、可靠性、数据服务丰富、IO路径短和延迟小等优点,但也存在扩展性有限、硬件成本高等不足。而分布式存储则具有更好的可扩展性、适合海量的数据存储、性能随集群规模线性增长、支持高并发访问、且采用标准硬件和成本低廉等优点,但也存在IO路径较长、延迟较长等不足。本文针对集中式和分布式的存储架构进行对比分析,阐明两者在医疗应用中的优劣与选择。

DNA信息存储核心技术及其发展

在过去的几十年里,互联网技术的发展和普及推动人类进入了数字信息时代,互联网已成为人类生活的重要组成部分。随着数字化生活方式的到来,人们每时每刻都在产生大规模的数字信息,如何将这些信息进行便捷有效的存储是个必须面对的问题。针对数据存储面临的种种问题,该文从现有的存储方式和存储介质出发,对当前存储领域进行深入研究,分析了DNA作为未来大数据存储介质的优势,以及DNA存储的核心技术和潜在的应用前景。另外,该文通过对DNA信息存储的核心技术进行剖析和讨论,提出了未来DNA信息存储发展的趋势和见解,以期对DNA信息存储发展提供新的思路。

基于GPU直访存储架构的推荐模型预估系统

新型深度学习推荐模型已广泛应用至现代推荐系统,其独有的特征——包含万亿嵌入参数的嵌入层,带来的大量不规则稀疏访问已成为模型预估的性能瓶颈.然而,现有的推荐模型预估系统依赖CPU对内存、外存等存储资源上的嵌入参数进行访问,存在着CPU-GPU通信开销大和额外的内存拷贝2个问题,这增加了嵌入层的访存延迟,进而损害模型预估的性能.提出了一种基于GPU直访存储架构的推荐模型预估系统GDRec.GDRec的核心思想是在嵌入参数的访问路径上移除CPU参与,由GPU通过零拷贝的方式高效直访内外存资源.对于内存直访,GDRec利用统一计算设备架构(compute unified device architecture,CUDA)提供的统一虚拟地址特性,实现GPU核心函数(kernel)对主机内存的细粒度访问,并引入访问合并与访问对齐2个机制充分优化访存性能;对于外存直访,GDRec实现了一个轻量的固态硬盘(solid state disk,SSD)驱动程序,允许GPU从SSD中直接读取数据至显存,避免内存上的额外拷贝,GDRec还利用GPU的并行性缩短提交I/O请求的时间.在3个点击率预估数据集上的实验表明,GDRec在性能上优于高度优化后的基于CPU访存架构的系统NVIDIA HugeCTR,可以提升多达1.9倍的吞吐量.

大规模芯片内嵌存储器的BIST测试方法研究

随着大规模芯片的块存储器(block random access memory,BRAM)数量不断增多,常见的存储器内建自测试(memory build-in-self test,Mbist)方法存在故障覆盖率低、灵活性差等问题。为此,提出了一种新的基于可编程有限状态机的Mbist方法,通过3个计数器驱动的可编程Mbist控制模块和算法模块集成8种测试算法,提高故障覆盖率和灵活性。采用Verilog语言设计了所提出的Mbist电路,通过Modelsim对1 Kbit×36的BRAM进行仿真并在自动化测试系统上进行了实际测试。实验结果表明,该方法对BRAM进行测试能够准确定位故障位置,故障的检测率提高了15.625%,测试效率提高了26.1%,灵活性差的问题也得到了很大改善。

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。

EMCA:一种新的多云存储中高效的多副本审计方案

云数据审计是一项允许数据所有者在不下载数据的情况下检查数据是否在远程云服务器上完整存储的技术。目前,云数据审计可分为单副本审计和多副本审计,针对多副本审计方案中计算开销大以及无法审计多云存储数据的不足,提出了一种在多云情景下高效的多副本云数据审计方案。所提方案使用较轻量级的模幂加密技术代替传统上计算成本较高的双线性配对技术,以降低在审计过程中的计算开销,提高了方案的效率。为每个副本数据块生成一个同态验证标签(HVT)作为元数据,当用户发出审计要求,每个云服务提供商生成对应的证据,由云服务器管理者聚合证据,实现了在多云存储中的审计。安全分析表明,所提方案可抵挡恶意云服务提供商的伪造攻击,以及恶意云服务提供商与第三方审计者的合谋攻击。性能分析表明,所提方案在计算开销上低于现有多副本审计方案,实现了高效的多云存储多副本审计。

基于NAS和教学诊改的多模态教学大数据存储访问优化研究

本文提出一种基于网络附加存储(NAS)和教学诊断与改进(诊改)的多模态教学大数据存储与访问优化方案。该方案通过NAS实现多模态教学资源的集中存储、高效管理和安全共享,利用这些多模态教学数据实现教学活动的持续诊断改进和教育质量的提升。本文分析了NAS和多模态教学数据的特点、存储要求以及NAS在其中的应用。在此基础上,本文结合教学诊改流程,设计了基于NAS的多模态教学大数据存储优化方案。

智慧家庭存储技术演进趋势与发展研究

分析机构Statista发布的数据显示,全球数据量将从2021年的79ZB增长至2025年的181ZB,近五年的年复合增长率为18.03%。AI、物联网、5G、云计算等技术的广泛应用,使全球产出和消费的数据量呈现爆发式增长,并对数据存储的容量和质量提出更高的要求。传统的数据存储方式已不能满足用户的需求,这为个人用户云存储的快速发展带来新的机会。现有面向个人用户的存储方式包括公有云盘、NAS、云化NAS,本文将主要对这三种存储方式的优缺点进行对比与分析。

基于Hadoop技术的教学数据存储研究

探讨了基于Hadoop技术的高校教学数据存储系统设计。该系统以Hadoop分布式文件系统(HDFS)和MapReduce框架为基础,实现了教学数据的高效存储、管理和分析。构建了“数据交互层”“核心处理层”和“数据存储层”三层结构。教学资源网结构和数据库访问层支持多样化的数据类型和访问需求。同时,强调数据安全性与权限管理,以及实时处理与分析能力的重要性。通过这一设计,系统为高校提供了安全、高效、可靠的教学数据解决方案,支持教育的创新和发展。

基于大数据的分布式文件存储系统架构设计

针对目前数据量庞大对文件存储的需求激增,本文研究基于大数据的分布式文件存储系统(Hadoop distributed file system,HDFS)架构设计。通过分析HDFS架构的基本原理,讨论数据分布策略、数据备份与恢复机制以及一致性与性能优化的方法,提出针对名称节点和数据节点的改进措施,包括在名称节点中引入高速闪存驱动器以管理元数据,并在数据节点中实施元数据缓存机制。研究结果表明:分布式文件存储系统可以优化元数据管理,减少网络成本,并提高系统性能,对改善大数据存储系统的性能具有重要作用。

专题:大数据与云存储

随着信息化浪潮的迅猛发展和人工智能技术的快速迭代,大数据与云计算已成为支撑前沿信息技术的新型基础设施。大数据蕴含着巨大的信息价值,被誉为数字经济时代的“石油”,成为推动经济社会发展的关键生产要素之一。云计算系统能够为大数据提供全周期、低成本、可扩展的存储、处理和服务,成为大数据价值发现与实现的重要平台。云存储作为云计算系统的重要组成部分,基于海量、异构的硬件构建分布式存储,为云计算系统提供高性能、高可靠和可扩展的数据存储服务,有效支撑大数据的可靠存储与高效分析。

缩微技术——信息存储领域的初升朝阳

本文回顾了缩微技术的发展历程和缩微工作在我国的历史沿革,阐述了当前国内外缩微技术应用情况和人们对该技术的认知变化等方面,强调了缩微技术在当前社会发展中的重要作用。

大规模非结构化数据资源快速存储方法研究

非结构化数据资源具有较高的研究价值,伴随着信息化技术、互联网技术应用范围的扩大,非结构化数据资源规模随之增大,对其存储技术提出了较大的挑战,因此提出了大规模非结构化数据资源快速存储方法,采用层次聚类算法分组处理非结构化数据资源。以某一组非结构化数据资源为对象,结合数据资源传输距离、节点能量、传输方向等因素,确定非结构化数据资源转发路径,描述非结构化数据资源存储过程,制定分层扩展存储机制,从而实现大规模非结构化数据资源的快速存储。实验数据表明,在不同实验工况背景下,应用本文方法后获得的非结构化数据资源存储速率最大值为1920 MB/s,非结构化数据资源存储位置准确性最大值为98%。

考虑移动氢能存储的港口多能微网两阶段分布鲁棒优化调度

为有效应对海上风电固有的间歇及波动性给港口多能微网带来的不确定性风险,提出一种考虑移动氢能存储的港口多能微网两阶段分布鲁棒优化调度模型。首先,结合Wasserstein距离实现风电出力概率分布模糊集的精确刻画,并通过非参数核密度估计拟合海上风电预测误差概率分布,获得不同置信水平下风电出力区间及场景。其次,分析氢能船舶、汽车等移动氢能存储资源对间歇性风电出力的能源存储潜力,并结合用能心理、交通属性差异,将两者分别建模为激励型、价格型需求响应,实现港口移动氢能存储灵活性资源的高效聚合。再次,针对含移动氢能存储的港口多能微网,构建基于概率分布模糊集的日前-日内两阶段分布鲁棒优化调度模型,并运用线性决策规则与强对偶理论将其转换为混合整数线性规划模型求解。最后,基于海上风电实测数据进行仿真验证。结果证明,移动氢能存储可显著提升港口多能微网的低碳灵活性,所提模型在兼顾港口多能微网经济性的同时,可进一步保证风电不确定性风险下的鲁棒性。

新技术为海量数据存储提供“超级光盘”

据报道,近日,中国科学院上海光学精密机械研究所(以下简称“上海光机所”)阮昊研究员团队和上海理工大学顾敏院士等科研人员,利用国际首创的双光束调控聚集诱导发光超分辨光存储技术,突破了信息写入和读出的衍射极限限制。该研究为大数据存储提供了绿色、长寿命的解决方案,相关成果于2024年2月22日发表在《自然》上。科研人员利用双光束光存储技术突破光学衍射极限的限制,首次证实可以在三维空间实现多至百层、超分辨尺寸下的信息点的写入和读出。这项新技术可以让单张盘容量高达Pb级,相当于至少10000张蓝光光盘的容量。

用于无人机蓄电池充电的多功能存储柜

设计了用于无人机蓄电池充电的多功能存储柜。存储柜的恒温恒湿系统可保证无人机蓄电池和无人机充电器长期处于恒温、干燥状态,避免受外部环境的影响;照明系统即使在光线不足的环境下也能够对蓄电池轻松充电;火光监测系统能够及时避免因电线老化或短路等造成的漏电现象;小型自动灭火器和烟雾报警器可在柜体内出现明火的情况下自启动小型自动灭火器灭火,进一步提高了蓄电池充电器充电的安全性。试验验证表明,多功能存储柜既能避免因充电发生的危险,又能提高充电效率。