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A family of quantum von Neumann architecture
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作者 王东升 《Chinese Physics B》 SCIE EI CAS CSCD 2024年第8期56-61,共6页
We develop universal quantum computing models that form a family of quantum von Neumann architectures,with modular units of memory,control,CPU,and internet,besides input and output.This family contains three generatio... We develop universal quantum computing models that form a family of quantum von Neumann architectures,with modular units of memory,control,CPU,and internet,besides input and output.This family contains three generations characterized by dynamical quantum resource theory,and it also circumvents no-go theorems on quantum programming and control.Besides universality,such a family satisfies other desirable engineering requirements on system and algorithm design,such as modularity and programmability,hence serves as a unique approach to building universal quantum computers. 展开更多
关键词 von neumann architecture quantum resource theory quantum computing
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Transparent Computing: Spatio-Temporal Extension on von Neumann Architecture for Cloud Services 被引量:7
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作者 Yaoxue Zhang Yuezhi Zhou 《Tsinghua Science and Technology》 SCIE EI CAS 2013年第1期10-21,共12页
The rapid advancements in hardware, software, and computer networks have facilitated the shift of the computing paradigm from mainframe to cloud computing, in which users can get their desired services anytime, anywhe... The rapid advancements in hardware, software, and computer networks have facilitated the shift of the computing paradigm from mainframe to cloud computing, in which users can get their desired services anytime, anywhere, and by any means. However, cloud computing also presents many challenges, one of which is the difficulty in allowing users to freely obtain desired services, such as heterogeneous OSes and applications, via different light-weight devices. We have proposed a new paradigm by spatio-temporally extending the von Neumann architecture, called transparent computing, to centrally store and manage the commodity programs including OS codes, while streaming them to be run in non-state clients. This leads to a service-centric computing environment, in which users can select the desired services on demand, without concern for these services' administration, such as their installation, maintenance, management, and upgrade. In this paper, we introduce a novel concept, namely Meta OS, to support such program streaming through a distributed 4VP~ platform. Based on this platform, a pilot system has been implemented, which supports Windows and Linux environments. We verify the effectiveness of the platform through both real deployments and testbed experiments. The evaluation results suggest that the 4VP~ platform is a feasible and promising solution for the future computing infrastructure for cloud services. 展开更多
关键词 transparent computing extended von neumann architecture cloud computing cloud services Meta OS
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冯·诺依曼瓶颈下计算机体系结构的创新 被引量:1
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作者 吕启闻 陈泽乾 +6 位作者 张曦月 周朋 张鲁峰 于春霖 陈钦 叶涛 李璇 《电子技术应用》 2023年第11期28-34,共7页
在计算机体系结构的发展过程中,冯·诺依曼架构无疑是最为传统且主流的架构之一。为了追求更加高速的计算效率,人们在冯·诺依曼架构的基础上不断做出优化,直至达到其发展瓶颈。从传统冯·诺依曼架构出发,分析了该架构固有... 在计算机体系结构的发展过程中,冯·诺依曼架构无疑是最为传统且主流的架构之一。为了追求更加高速的计算效率,人们在冯·诺依曼架构的基础上不断做出优化,直至达到其发展瓶颈。从传统冯·诺依曼架构出发,分析了该架构固有的局限性,并列举了针对这些局限性所作出的基本改良措施。然后具体介绍了存算一体、数据流计算等在冯·诺依曼架构上进行创新的多种技术手段。最后简述了突破原始电子计算机物理材料体系的其他非冯·诺依曼架构的发展历程,例如类脑计算机和量子计算机等,并展望了现代计算机体系结构的发展前景与方向。 展开更多
关键词 体系结构 冯·诺依曼瓶颈 数据流计算机 非冯·诺依曼架构
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A prototype of quantum von Neumann architecture 被引量:1
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作者 Dong-Sheng Wang 《Communications in Theoretical Physics》 SCIE CAS CSCD 2022年第9期49-63,共15页
A modern computer system,based on the von Neumann architecture,is a complicated system with several interactive modular parts.It requires a thorough understanding of the physics of information storage,processing,prote... A modern computer system,based on the von Neumann architecture,is a complicated system with several interactive modular parts.It requires a thorough understanding of the physics of information storage,processing,protection,readout,etc.Quantum computing,as the most generic usage of quantum information,follows a hybrid architecture so far,namely,quantum algorithms are stored and controlled classically,and mainly the executions of them are quantum,leading to the so-called quantum processing units.Such a quantum-classical hybrid is constrained by its classical ingredients,and cannot reveal the computational power of a fully quantum computer system as conceived from the beginning of the field.Recently,the nature of quantum information has been further recognized,such as the no-programming and no-control theorems,and the unifying understandings of quantum algorithms and computing models.As a result,in this work,we propose a model of a universal quantum computer system,the quantum version of the von Neumann architecture.It uses ebits(i.e.Bell states)as elements of the quantum memory unit,and qubits as elements of the quantum control unit and processing unit.As a digital quantum system,its global configurations can be viewed as tensor-network states.Its universality is proved by the capability to execute quantum algorithms based on a program composition scheme via a universal quantum gate teleportation.It is also protected by the uncertainty principle,the fundamental law of quantum information,making it quantum-secure and distinct from the classical case.In particular,we introduce a few variants of quantum circuits,including the tailed,nested,and topological ones,to characterize the roles of quantum memory and control,which could also be of independent interest in other contexts.In all,our primary study demonstrates the manifold power of quantum information and paves the way for the creation of quantum computer systems in the near future. 展开更多
关键词 quantum computation quantum channel von neumann architecture
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SRAM存内计算技术综述 被引量:5
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作者 龚龙庆 徐伟栋 娄冕 《微电子学与计算机》 2021年第9期1-7,共7页
在处理深度神经网络这类数据密集型应用的过程中,处理器和存储器间大量数据的频繁传输会造成严重的性能损耗和能量消耗,也是当前冯·诺伊曼架构最大的瓶颈.针对传统冯·诺伊曼体系架构的局限性,基于SRAM的存内计算技术将运算单... 在处理深度神经网络这类数据密集型应用的过程中,处理器和存储器间大量数据的频繁传输会造成严重的性能损耗和能量消耗,也是当前冯·诺伊曼架构最大的瓶颈.针对传统冯·诺伊曼体系架构的局限性,基于SRAM的存内计算技术将运算单元集成到内存中,支持数据的即存即算,彻底突破了冯·诺伊曼瓶颈,有望成为新一代智能计算架构.本文从体系结构的角度阐明了冯·诺伊曼架构所引起的"功耗墙"和"存储墙"问题,并给出了存内计算技术的兴起原因.文章围绕近几年国内外关于SRAM存内计算架构的研究,以其中几种经典架构为例描述了各类SRAM存内计算的工作机理、优缺点及意义,并从器件级、电路级和架构级的角度分别概述了目前关于SRAM存内计算技术的关键影响因素.SRAM存内计算技术潜力巨大,用途广泛,将会给机器学习应用,图计算应用和基因工程提供高效低能耗的系统结构支持,最后展望了未来几年内SRAM存内计算技术在器件、电路和架构方面的发展情况. 展开更多
关键词 数据密集型应用 冯·诺伊曼架构 SRAM 存内计算
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后摩尔时代新兴计算芯片进展 被引量:2
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作者 武俊齐 赖凡 《微电子学》 CAS 北大核心 2020年第3期384-388,共5页
信息处理系统由于基础半导体技术遭遇"摩尔定律接近终结"和现行计算架构(冯·诺依曼架构)缺陷所导致的瓶颈,其发展受到严重挑战。为克服这些制约因素,一方面,集成电路开始沿着由技术内生动力和应用拉动的趋势,即"超... 信息处理系统由于基础半导体技术遭遇"摩尔定律接近终结"和现行计算架构(冯·诺依曼架构)缺陷所导致的瓶颈,其发展受到严重挑战。为克服这些制约因素,一方面,集成电路开始沿着由技术内生动力和应用拉动的趋势,即"超越摩尔定律"和"超越CMOS"的方向,逐步发展,包括对单片3D系统和碳纳米管场效应晶体管芯片等新兴计算芯片技术的研究;另一方面,计算范式变革推动了以"神经形态计算"类脑芯片等构建的非冯·诺依曼架构的芯片迅速发展。本文从以上两个方面研究了后摩尔时代新计算芯片技术发展的脉络,分析了数字计算芯片、模拟计算芯片、神经形态计算芯片等新兴计算芯片技术的新进展。 展开更多
关键词 摩尔定律 超越摩尔定律 超越CMOS 计算芯片 3D SoC 碳纳米管场效应晶体管 冯·诺依曼架构 神经形态计算 量子计算 边缘计算
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数据流计算机——一种新型的计算机系统结构模型
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作者 尹志宇 姜兴华 张庆秀 《石家庄职业技术学院学报》 2002年第2期15-17,共3页
介绍了数据流机的数据驱动特征、数据流程图、数据流程序设计语言以及其特殊的系统结构 。
关键词 结构模型 诺依曼计算机 数据流计算机 计算机系统 数据流程图 程序设计语言 数据驱动
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基于SRAM的通用存算一体架构平台在物联网中的应用 被引量:3
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作者 曾剑敏 张章 +1 位作者 虞志益 解光军 《电子与信息学报》 EI CSCD 北大核心 2021年第6期1574-1586,共13页
最近,存算一体(IMC)架构引起了广泛关注,并被认为有望成为突破冯诺依曼瓶颈的新型计算机架构,特别是在数据密集型(data-intensive)计算中能够带来显著的性能和功耗优势。其中,基于SRAM的IMC架构方案也被大量研究与应用。该文在一款基于S... 最近,存算一体(IMC)架构引起了广泛关注,并被认为有望成为突破冯诺依曼瓶颈的新型计算机架构,特别是在数据密集型(data-intensive)计算中能够带来显著的性能和功耗优势。其中,基于SRAM的IMC架构方案也被大量研究与应用。该文在一款基于SRAM的通用存算一体架构平台——DM-IMCA的基础上,探索IMC架构在物联网领域中的应用价值。具体来说,该文选取了物联网中包括信息安全、二值神经网络和图像处理在内的多个轻量级数据密集型应用,对算法进行分析或拆分,并将关键算法映射到DM-IMCA中的SRAM中,以达到加速应用计算的目的。实验结果显示,与基于传统冯诺依曼架构的基准系统相比,利用DM-IMCA来实现物联网中的轻量级计算密集型应用,可获得高达24倍的计算加速比。 展开更多
关键词 物联网 超越冯诺依曼架构 存算一体 计算型SRAM
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基于忆阻器的感存算一体技术研究进展 被引量:8
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作者 李锟 曹荣荣 +3 位作者 孙毅 刘森 李清江 徐晖 《微纳电子与智能制造》 2019年第4期87-102,共16页
基于CMOS器件的传统冯·诺依曼计算架构愈发难以满足智能化发展日益增长的计算能效和速度需求,探寻新物理原理的基础器件并在此基础上发展存算一体架构成为学术界和产业界关注的前沿热点,基于忆阻器的存算一体技术不断取得重要进展... 基于CMOS器件的传统冯·诺依曼计算架构愈发难以满足智能化发展日益增长的计算能效和速度需求,探寻新物理原理的基础器件并在此基础上发展存算一体架构成为学术界和产业界关注的前沿热点,基于忆阻器的存算一体技术不断取得重要进展,展现出巨大的发展潜力。在此基础上,结合跨工艺单片集成技术的发展,微纳传感器与忆阻器存算一体器件进一步集成,构建感知、存储与处理一体化的单元成为该领域发展新的技术增长点。对基于忆阻器的存算一体技术、感存算一体技术的主要研究方向、研究进展、存在问题进行综述,分析该领域的发展规律,提出发展思考。 展开更多
关键词 忆阻器 非冯·诺依曼计算架构 存算一体 感存算一体
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基于忆阻器的多模式识别CNN电路设计 被引量:1
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作者 陈鑫辉 王宇轩 +2 位作者 张跃军 刘钢 刘子坚 《实验技术与管理》 CAS 北大核心 2022年第10期75-79,85,共6页
现有的类脑计算电路存在的识别对象单一、识别率低等问题,限制了类脑芯片的发展。该文结合器件量子电导及存算一体架构,提出一种基于忆阻器的多模式识别CNN电路设计方案。该方案首先构建具有多阻态、高精度、可重构的忆阻器模型;然后采... 现有的类脑计算电路存在的识别对象单一、识别率低等问题,限制了类脑芯片的发展。该文结合器件量子电导及存算一体架构,提出一种基于忆阻器的多模式识别CNN电路设计方案。该方案首先构建具有多阻态、高精度、可重构的忆阻器模型;然后采用CNN架构与权重量化方法,提高电路的训练速度与识别率;最后,在交叉阵列结构中进行电导映射,完成MNIST、Fashion-MNIST和EMNIST等多种模式测试。实验结果表明所设计忆阻器具有50个稳定阻态以及LTP突触可塑性;CNN硬件电路的多模式识别率均为90%以上,尤其是MNIST识别率高达99.08%,并验证了高斯噪声下电路的抗干扰能力。 展开更多
关键词 超越冯诺依曼架构 神经形态计算 忆阻器 突触可塑性
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神经网络计算机系统模型与结构初探
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作者 谢康林 郑飞 《小型微型计算机系统》 CSCD 北大核心 1994年第7期9-13,共5页
在阐明神经网络计算机(NNC)信息处理机理的基础上,给出NNC系统的两个功能模型。然后根据神经计算部件与传统数字处理部件在系统中的地位与相互关系的不同,将NNC系统划分成三类结构,并简述其特点。
关键词 神经网络 计算机 模型 结构
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墙的另一面——图灵模型更深层次的思考
12
作者 李奕权 郑利龙 《计算机科学》 CSCD 北大核心 2011年第9期282-287,共6页
最近几年,计算机体系迈向多处理器结构道路。然而,冯诺曼机器主导的多核结构,令我们处在存储墙错误的一面。地址参数引入的冗余,降低了处理器的效率,成为图灵-冯诺曼模型的致命要害。对图灵模型作更深一层思考,以信息变换统一了冯诺曼... 最近几年,计算机体系迈向多处理器结构道路。然而,冯诺曼机器主导的多核结构,令我们处在存储墙错误的一面。地址参数引入的冗余,降低了处理器的效率,成为图灵-冯诺曼模型的致命要害。对图灵模型作更深一层思考,以信息变换统一了冯诺曼机器程序变换和神经网络变换,分析了两种变换的异同及其优劣。提出以微核为基础,并按变换的成熟程度,向灵活的可编程的冯氏机器或高速的神经网络分化。模拟生物神经系统的进化,构建为人们服务的智能机器。2010年9月15日,美国波士敦的高性能嵌入式计算(HPEC)研讨会上,耶鲁大学的欧亨尼奥.卡鲁塞伊罗教授发表了一个基于人类视觉系统的高性能计算机"神经流"(NeuFlow),其体系结构利用了与本文的仿生电脑十分相似的概念。 展开更多
关键词 仿生电脑 体系结构 图灵机 冯诺曼机器 神经网络 信息变换
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计算机智能化中冯·诺依曼体系结构的局限性
13
作者 董晶晖 《中国科技信息》 2012年第23期67-67,75,共2页
计算机经过了半个多世纪的发展,依旧无法和人脑相匹敌。这种差距在某种程度上,是由冯.诺依曼体系结构的局限性造成,具体体现在数据的表达方式和存储器的设计上。量子计算机具备的量子力学特性可以扩充经典计算机的逻辑和数学基础。这些... 计算机经过了半个多世纪的发展,依旧无法和人脑相匹敌。这种差距在某种程度上,是由冯.诺依曼体系结构的局限性造成,具体体现在数据的表达方式和存储器的设计上。量子计算机具备的量子力学特性可以扩充经典计算机的逻辑和数学基础。这些特性为计算机提供了新的发展方向,很可能取得突破性进展。 展开更多
关键词 冯·诺依曼体系结构 人脑 量子计算机
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软件定义的云计算基础理论与方法的研究进展 被引量:1
14
作者 徐志伟 包云岗 +4 位作者 熊劲 向东 喻之斌 李克秋 王卅 《中国基础科学》 2020年第1期49-53,共5页
当前云计算用户体验与资源利用率之间的矛盾已成为阻碍其快速发展的瓶颈。共享云系统仍然存在尾延迟、低效率、高干扰三大应用问题。亚马逊、谷歌等企业已对上层软件栈开展了大量优化,但仍无法有效解决问题。因此工业界呼吁通过底层硬... 当前云计算用户体验与资源利用率之间的矛盾已成为阻碍其快速发展的瓶颈。共享云系统仍然存在尾延迟、低效率、高干扰三大应用问题。亚马逊、谷歌等企业已对上层软件栈开展了大量优化,但仍无法有效解决问题。因此工业界呼吁通过底层硬件创新、软硬件协同方式来保障服务质量、提高资源利用率。学术界也已开始探索从底层硬件到上层应用的全系统栈协同设计方案。本项目提出面向第三代云计算发展方向的低熵云计算理论框架,通过研究标签化冯·诺依曼体系结构、容器化存储引擎、通信局部化高阶网络、时空共享资源管理、混合负载测试基准SDCBench等,实现在共享云环境下同时满足用户体验与资源利用率,较国际主流云平台降低尾延迟1个数量级,提升资源利用率1倍。 展开更多
关键词 云计算 尾延迟 性能干扰 资源利用率 标签化冯·诺依曼体系结构
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基于忆阻器的非易失逻辑研究前沿 被引量:5
15
作者 徐丽莹 杨玉超 黄如 《中国基础科学》 2019年第2期1-11,27,F0003,共13页
非易失逻辑作为一种极具发展前景的非冯计算架构,能够实现单元层面的计算、存储功能融合,缓解传统计算架构中由于数据频繁搬运带来的性能和能耗问题。忆阻器具有操作速度快、可微缩性强、循环寿命长、与CMOS工艺兼容等特点,在实现非易... 非易失逻辑作为一种极具发展前景的非冯计算架构,能够实现单元层面的计算、存储功能融合,缓解传统计算架构中由于数据频繁搬运带来的性能和能耗问题。忆阻器具有操作速度快、可微缩性强、循环寿命长、与CMOS工艺兼容等特点,在实现非易失逻辑运算时有着不可比拟的优势。本文综述了利用忆阻器实现非易失逻辑运算的研究现状与前沿,对现有方法进行归纳、总结,从器件、阵列两个层面评估了影响逻辑运算性能的因素和优化方案,并对基于忆阻器非易失逻辑实现存算一体系统的发展趋势进行了总结和展望。 展开更多
关键词 忆阻器 非易失逻辑 非冯计算架构 存算一体
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我国高性能计算科技政策分析——与美国NSCI计划对比 被引量:2
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作者 历军 《中国科学院院刊》 CSSCI CSCD 北大核心 2019年第2期197-205,共9页
高性能计算技术作为国家战略需求,正日益受到各国的高度重视。美国基于对计算科学发展趋势及新一轮信息技术(IT)革命到来的认识,于2015年颁布了著名的"国家战略计算计划"(NSCI),指明了在未来一段内时间围绕高性能计算技术与... 高性能计算技术作为国家战略需求,正日益受到各国的高度重视。美国基于对计算科学发展趋势及新一轮信息技术(IT)革命到来的认识,于2015年颁布了著名的"国家战略计算计划"(NSCI),指明了在未来一段内时间围绕高性能计算技术与产业发展的战略目标、任务、方向及发展路径,同时构建了组织架构、明确了各方面的责任分工,可谓是一份完整的国家战略计划。我国通过《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》、"九五"至"十三五"国家科技发展及科技创新规划、国家高技术研究发展计划("863"计划)、国家重点基础研究发展计划("973"计划)、国家自然科学基金重大研究计划、《国家创新驱动发展战略纲要》、国家"科技创新2030—重大项目"等一系列重大战略规划与政策,有力地支持了高性能计算技术与产业的发展,在国际上取得了骄人的业绩。但相较于美国NSCI计划的前瞻性、科学性及系统性,我们在决策定位、政策配套、政策与现实对接等方面还需要做大量深入、系统、现实的工作。否则,我们将难以走出"追赶—落后—再追赶"的怪圈。 展开更多
关键词 高性能计算 国家战略计算计划 国家政策 冯·诺依曼结构 后摩尔时代
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