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。

城市非机动车辆管理系统关键技术的研发

为了解决非机动车辆因缺乏有效管理、频繁被盗这一城市顽疾,作者与城市非机动车辆管理部门就建立城市非机动车辆管理体制、实现城市非机动车辆有效管理的可行性进行了广泛调研,方案比较,制订了详实的城市非机动车辆管理信息系统方案。方案中采用无线射频识别技术(RFID)制作非机动车辆电子标签和阅读器并建立非机动车辆数据库系统。对这些关键技术进行研究,并成功应用于城市非机动车辆管理系统。

基于冲突检测的高吞吐NVM存储系统

非易失性存储器(non-volatile memory,NVM)是解决计算机系统存储墙问题的有效手段,但现有的I/O栈缺乏相应的适应和优化机制,特别是基于文件系统的锁机制是影响NVM存储系统性能的重要因素.将存储系统访问请求的管理嵌入到存储设备中,利用NVM存储设备自主管理访问请求,使用基于冲突检测的方法代替基于文件系统的现有锁机制,提高操作系统执行访问请求的并发度,缓解设备接口带来的瓶颈问题.给出了高吞吐NVM存储系统的结构,设计了一种基于二维链表的访问请求管理方法减少访问请求管理中的冲突,一种基于冲突检测的访问请求调度算法用于管理NVM存储设备中共享的访问请求,并给出了新访问请求提交和已有访问请求释放流程,并基于Intel的开源NVM存储设备模拟器PMEM实现了HTPM的原型系统,使用Filebench中的多种负载和Fio测试了HTPM的吞吐率和I/O性能,实验结果表明:HTPM相比PMEM最大能提高31.9%的IOPS值和21.4%的I/O性能.

面向访问模式的混合内存缓存替换策略

大数据时代催生了很多以数据为中心的技术和应用,这对计算机主存的速度、容量、能耗提出了更高的要求。为了解决传统DRAM(Dynamic Random Access Memory)内存遇到的瓶颈,由DRAM和非易失性存储NVM(Non-Volatile Memory)组成的混合内存技术受到了广泛的关注。在混合内存环境下,缓存的性能至关重要。针对混合内存环境,已有的缓存替换策略研究都是对LRU2思想的改进,虽然考虑了DRAM数据和NVM数据缺失惩罚不对称的现象,但是在面对LRU(Least Recently Used)性能差的负载时也会存在缓存抖动和污染问题,仍然存在优化空间。文中针对不同类型的负载特点,考虑了不同访问模式下DRAM与NVM数据的竞争关系,提出了一种动态可调整的缓存替换策略DLRP(Dynamic Level Replacement Policy)。该策略在面对不同类型的负载时能动态地选择最优的替换策略,在保持整体命中率较好的同时降低了NVM的缺失和写回。实验结果表明,相比WBAR策略,DLRP不仅在IPC上有平均16.5%的提升,而且在能耗和写操作数量上分别降低了5.2%和5.1%。

支持高并发访问的新型NVM存储系统

I/O系统软件栈是影响NVM存储系统性能的重要因素。针对NVM存储系统的读写速度不均衡、写寿命有限等问题,设计了同异步融合的访问请求管理策略;在使用异步策略管理数据量较大的写操作的同时,仍然使用同步策略管理读请求和少量数据的写请求。针对多核处理器环境下不同计算核心访问存储系统时地址转换开销大的问题,设计了面向多核处理器地址转换缓存策略,减少地址转换的时间开销。最后实现了支持高并发访问NVM存储系统(CNVMS)的原型,并使用通用测试工具进行了随机读写、顺序读写、混合读写和实际应用负载的测试。实验结果表明,与PMBD相比,所提策略能提高1%～22%的读写速度和9%～15%的IOPS,验证了CNVMS策略能有效提高NVM存储系统的I/O性能和访问请求处理速度。

基于非易失存储器件的内存键值存储系统的性能研究

分析了互联网应用为满足后端存储系统高性能要求而引用的内存键值存储系统的应用特点,指出:为了永久保存数据,这些系统还需要在后端将数据从易失性的内存拷贝到慢速的非易失存储设备中;将新型的非易失存储器件(NVM)引入内存键值存储系统可减少其性能开销;根据NVM的特征,内存键值系统可采用两种架构:将NVM替代磁盘作为二级存储设备和将NVM替代DRAM直接作为主存储设备。基于上述分析,实现了两种NVM架构的内存键值存储系统,并通过实验分析,总结出了内存键值存储系统选择NVM架构的原则,这些原则可有效指导内存键值存储系统在采用当前以及未来NVM器件时,对架构的选择。其次,还通过理论和实验分析,得出了不同架构下的内存键值系统在软件层的主要开销,指出了未来针对这些系统的软件设计的优化方向。

心肌致密化不全的超声特征分析

目的 进一步明确超声心动图对心肌致密化不全(NVM)的诊断标准。 方法 总结分析17例NVM患者的超声表现并与10例高血压性心肌肥厚患者比较。 结果 NVM的超声特征包括:1)致密化不全的室壁可见二层结构:薄层的心外膜致密化带及相对较厚的心内膜致密化不全层,后者由突出的肌小梁及深陷的小梁间隐窝组成,NVM患者收缩末期致密化不全层与已致密化层厚度的最大比率>2:2)左室致密化不全部位通常在心尖段、侧壁中段及下壁中段,右室在心尖段及游离壁中段。除受累节段的室壁运动减弱外,部分形态学正常的节段收缩活动也受到影响,最终导致心室总功能的下降;3)彩色多普勒显示心腔内血流直接进入小梁间的隐窝。 结论 NVM在超声心动图上有特征性的表现,超声是诊断NVM首选的及最佳的方法。

1例中国年龄最大的孤立性心肌致密化不全报道

心肌致密化不全（noncompaction of ventricular myocardi-um ，NVM ）是一种罕见的先天性心肌病，既往对本病缺乏认识，国内少见报道，存在误诊、漏诊等情况。随着近年来对该病的重视，国内病例报道日渐增多，通过查阅文献，现将本院收治的1例国内确诊年龄最大的孤立性NVM报道如下。

面向DNN的高并发NVM文件系统

DNN训练中需要反复频繁读写海量参数,NVM具有读写速度快的优势,是提高DNN训练效率的有效手段.但现有的NVM文件系统为了应对上层多种复杂的应用普遍使用基于文件的锁机制,难以利用多核并发读写提高DNN训练中对海量参数的I/O效率.本文针对DNN训练时的特性和NVM中存在的I/O软件栈的挑战,设计了基于并发线程的细粒度锁和基于两层日志的文件并发I/O机制,并实现了面向DNN高并发NVM文件系统的原型DNNFS,使用Filebench和Fio在多种不同类型负载下进行了测试,实验结果表明DNNFS相比NOVA最大能提高35.8%的IOPS值和21.6%的I/O带宽.

心室肌致密化不全1例

心室肌致密化不全（Noncompaction of the ventrieular myocardium．NVM）是以心室内异常粗大的肌小梁和交错的深隐窝为特征的一种心肌病，依据最新的心肌疾病分类．属于与基因相关的原发性心肌病．Chin等于1990年首次系统的描述了此病．我国从2001年后开始陆续有关NVM的个案报告。现报告1例随访1年的NVM患者的临床特征．

可嵌入RFID标签的低功耗单栅非易失性存储器

采用Skysilicon 0.35μm标准CMOS工艺设计并制造了一种可嵌入射频识别(RFID)标签的低功耗单栅非易失性存储器(SPNVM)。与传统的采用双栅工艺制造的电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)和快闪存储器相比较,所提出的单栅存储器具有更低的制造成本和功耗,更多的可编程次数以及更简单的控制电路。该存储器是将三个MOS晶体管的栅极连在一起作为等效浮栅,数据以电压的形式输出。利用Fowler-Nordheim电子隧穿机制对浮栅注入或泄放电子,这使得编程过程可以自动停止,且浮栅不会被过度编程。所提出的存储器结构仅使用两个正电压便可实现擦除、写入和读取操作。测试结果表明,对存储单元进行擦除和数据写入所需时间均为80 ms,存储器可以实现超过1 000次的编程循环,在芯片未封装的情况下,数据保持时间至少为14天。

Key-Value型NoSQL本地存储系统研究

NoSQL系统因其高性能、高可扩展性的优势在大数据管理中得到广泛应用,而key-value(KV)模型则是NoSQL系统中使用最广泛的一种存储模型.KV型本地存储系统对于以机械磁盘为持久化存储的情形,存在许多性能优化技术,但这些优化技术面对当前的硬件发展新趋势,如多核处理器、大内存和低延迟闪存、非易失性内存NVM(Non-Volatile Memory)等,难以充分发挥新硬件的优势,如数据索引、并发控制、事务日志管理等技术在多核架构下存在多核扩展性问题,又如数据存储策略不适应闪存SSD(Solid State Drive)的新存储特性而产生了IO利用率低效的问题.针对多核处理器、大内存和闪存、NVM等硬件发展新趋势,文中面向当前的大数据应用背景,综述了KV型本地存储系统在索引技术、并发控制、事务日志管理和数据放置等核心模块上的最新优化技术和系统研究成果.从处理器、内存和持久化存储的角度概括了KV型本地存储系统当前存在的最优技术,总结了当前研究尚未解决的技术挑战,并对KV型本地存储系统在CPU缓存高效性、事务日志扩展性和高可用性等方面的研究进行了展望.

心肌致密化不全的超声心动图诊断价值

目的:研究心肌致密化不全(Noncompaction of Ventricular Myotacdium,NVM)的超声心动图诊断价值。方法:采用Philips IE33彩色超声诊断仪,探头频率2 MHz～4 MHz。在左心室长轴切面、左心室短轴切面、左心室二腔心切面、胸骨旁和心尖四腔心切面等多个切面分别使用二维灰阶、M型、彩色及频谱多谱勒血流显像技术进行检查。结果:6例患者中有5例单独左心室受累,1例累及双心室。6例患者超声心动图上均有特征性改变,心室内未致密化的肌小梁及其深陷的隐窝。结论:超声心动图检查能够对NVM进行房室结构及功能的全面评价,是诊断本病的最佳选择。

基于高性能SOC FPGA阵列的NVM验证架构设计与验证

新型非易失性存储器(non-volatile memory,NVM)技术日渐成熟,延迟越来越低,带宽越来越高,未来将不仅有可能取代以动态随机存储器(dynamic random access memory,DRAM)为代表的易失型存储设备在主存中的垄断地位,还有可能取代传统Flash和机械硬盘作为外存服务未来的计算机系统.如何综合各类新型存储的特性,设计高能效的存储架构,实现可应对大数据、云计算所需求的新型主存系统已经成为工业界和学术界的研究热点.提出基于高性能SOC FPGA阵列的NVM验证架构,互联多级FPGA,利用多层次FPGA结构扩展链接多片NVM.依据所提出的验证架构,设计了基于多层次FPGA的主从式NVM控制器,并完成适用于该架构的硬件原型设计.该架构不仅可以实现测试同类型多片NVM协同工作,也可以进行混合NVM存储管理方案验证.

面向无源超高频标签的低成本非易失存储器

面向无源超高频射频识别标签芯片设计了一种低成本的非易失存储器(NVM)。采用PMOS晶体管实现存储单元,制造工艺与标准CMOS工艺兼容,可以降低制造成本。提出了一种新型的操作模式,可减轻写操作对栅氧的破坏。存储器中的所有存储单元共享一个灵敏放大器,数据通过共享的灵敏放大器依次串行读出,这样既节省了面积,又降低了读操作的功耗。基于0.18μm标准CMOS工艺设计实现了存储容量为1 kbit的存储器芯片,该存储器的核心面积为0.095 mm2,并完成了实测。实测结果表明,电源电压为1.2 V,读速率为1 Mb/s时,功耗为1.08μW;写速率为3.2 kb/s时,功耗为44μW。

面向NVM存储系统的快速文件访问系统

NVM存储设备系统具备提供高吞吐的潜质,包括接近内存的读写速度、字节寻址特性和支持多路转发等优势。但现有的系统软件栈并没有针对NVM去设计,使得系统软件栈存在许多影响系统访问性能的因素。通过分析发现文件系统的锁机制具有较大的开销,这使得数据的并发访问在多核心环境下成为一个难题。为了缓解这些问题,设计了无锁的文件读写机制以及基于字节的读写接口。通过取消基于文件的锁机制改变了粗粒度的访问控制,利用自主管理请求提高了进程的并发度;在设计能够利用字节寻址的新的文件访问接口时,不仅考虑了NVM存储设备的读写非对称,还考虑了其读写操作的不同特性。这些设计减少了软件栈的开销,有利于发挥NVM特性来提供一个高并发、高吞吐和耐久的存储系统。最后利用开源NVM模拟器PMEM实现了FPMRW原型系统,使用Filebench通用测试工具对FPMRW进行测试与分析,结果显示,FPMRW相对EXT+PMEM和XFS+PMEM能提高3%~40%的系统吞吐率。

电荷俘获存储器中俘获层的研究进展

随着45nm和32nm技术节点的来临,传统Si3N4作为电荷俘获存储器的俘获层已经使器件的性能受到了限制。指出采用高k材料代替Si3N4作为俘获层已成为目前微电子材料研究的热点和趋势;着重对电荷俘获存储器的俘获层,包括对Si3N4掺O的无定形氧氮化硅(α-SiOxNy)俘获层、高k介质材料俘获层、植入纳米晶材料的俘获层及其叠层结构的研究现状和存在的问题进行了综述和分析,并对其进一步的研究趋势进行了展望。