通过基于COTS器件的软件容错技术提高空间高可靠计算机的性能

在空间计算机的设计和制造中,高性能和高可靠是一对矛盾.使用防辐照器件制造空间计算机能够提高可靠性,但是防辐照器件不仅价格昂贵,而且在性能上远远落后于同时代的COTS器件,不能满足日益增长的空间高性能应用的需求;而使用COTS器件制造的计算机能够达到很高的性能,而且具有较高的性价比,但是在容错能力比不上防辐照器件,不能满足空间计算机在可靠性方面的要求.在COTS器件上实现软件容错,是提高空间高可靠计算机性能的方法之一,现已成为国际上的趋势.美国国家宇航局喷气推进实验室和Stanford大学的可靠性计算实验室在这些方面都进行了卓有成效的研究.然而在COTS器件上实现软件容错也带来了许多挑战.软件容错带来的性能和功耗开销、软件本身的容错能力等都是必须面对的问题.在介绍了基于COTS器件的软件容错技术的背景和发展情况后,又针对其中的主要问题提出了可能的解决方法,其中基于错误流模型的容错编译技术具有较高的实用价值.

IP及其路由技术在星载计算机中的应用

卫星接入Internet最好的解决方案就是在卫星通信中使用IP技术。该文结合某型号星载计算机的研制工作,探索IP及其路由技术在卫星通信中的应用;在实时操作系统RTEMS下开发了ATM网络设备驱动,实现了IP over ATM技术以支持IP协议,实现了动态路由协议RIP。针对星载应用的特点,在设计和实现中就协议栈简化、安全性等方面进行了适当的优化,成功地在星载计算机中实现了路由器功能。

面向大数据应用挑战的超级计算机设计

在大数据时代,大数据处理给面向高性能计算设计的超级计算机带来计算、存储、通信、编程等软硬件体系结构方面的挑战.对此在分析目前主流学术界和工业界相关研究成果的基础上,介绍了天河二号超级计算机系统针对大数据处理应用所采用的新型异构多态体系结构、自主定制高速互连网络、混合层次式存储系统、混合计算框架等多种优化措施,为大数据时代的超级计算机设计提供有意义的参考.

面向高性能计算机的海量数据处理平台实现与评测

高性能计算机主要应用于传统的科学计算领域,而在云计算时代,数据密集型应用成为一大类新型应用,已经变得越来越重要.主要探索如何在高性能计算机上高效地进行海量数据处理,使高性能计算机在进行科学计算的同时,能够非常好地支持数据密集型应用,拓展高性能计算机的应用领域.分析了高性能计算机上MapReduce模型实现和部署的可行性之后,在高性能计算环境中进行了实验.实验结果表明,存储系统的并行I/O能力不能充分发挥,是造成系统无法高效运行的主要瓶颈.而导致这个性能瓶颈的原因,是高并发带来的对集群文件系统资源的竞争和冲突.最后,提出了几种解决集群文件系统资源冲突的方案,这是今后的研究方向.

共享存储可重构计算机软硬件通信的优化实现

可重构硬件操作系统BORPH提供的硬件进程概念和以硬件为中心的执行模型可极大地提高可重构计算平台的易用性.BORPH-N为BORPH的扩展系统,主要的扩展是支持在共享存储可重构计算平台上的运行.BORPH-N为硬件进程提供基于共享存储、符合Unix语义的高性能进程间通信支持:共享存储和信号量.利用这两项服务,硬件进程可与系统中其他所有软件进程和硬件进程进行交互.可重构计算的重要目标是利用可重构逻辑对应用的耗时部分进行加速,所以软硬件交互机制的效率至关重要.通过类似远程调用这种简单方式来提供这两项服务,软硬件交互频繁,开销较大,性能难以满足需求.BORPH-N使用的优化策略基于独立执行的基本思路进行设计.实验结果表明,BORPH-N所需硬件开销较小,为硬件进程提供的共享存储和信号量的效率逼近硬件平台的峰值,可以满足实际应用的需求.

基于统一资源管理的超级计算机系统节能方案

从系统级节能角度出发,结合天河一号超级计算机系统硬件架构特点,通过将计算、通信、冷却、供电等各种系统资源有机结合在一起,制订统一的资源管理架构,应用最近最少使用(LRU)等多种管理策略对系统资源进行集中管理,有效降低系统能耗。

“计算机网络”课程教学研究与实践

本文针对计算机网络课程的教学内容、教学方法以及教学手段展开讨论,总结了我院多年来对计算机网络课程教学研究的成果和经验。

高性能计算机系统电源设计

为了满足某高性能计算机系统高效率、低成本、高可靠的供电要求,采用了12V一级母线直流分布式供电系统进行设计。介绍了计算机柜和主板的电源设计框图和工作原理,对计算主板的电压调节模块进行了详细分析,建立了基于自适应电压定位控制的电压调节模块小信号模型,分析了输出阻抗和系统控制带宽,由此得出了补偿回路设计原则,最后实测了动态响应波形。应用结果表明,电源各项技术指标完全满足该系统供电要求。

面向大规模体系仿真的高性能仿真计算机系统

随着应用的不断深入,大规模体系仿真对计算资源的要求越来越高。归纳总结了大规模体系仿真所具有的"多样本"、"超实时"、"复杂模型解算"、"因果序协同"四个特点,分析了大规模体系仿真对计算平台在计算能力、通信、I/O、并行、建模开发等方面的需求,指出了目前国内大规模体系仿真软件上采用HLA架构、硬件上基于工作站联网或商用集群系统的解决方案存在的不足。在此基础上,介绍了研制的高性能仿真计算机系统的组成和主要关键技术突破,并给出了两个典型应用效果。应用表明,与HLA加通用高性能计算机的解决方案相比,高性能仿真计算机系统具有更好的使用效能和更高的产出率,对于一般的大规模体系仿真系统,效率可提高几十倍到数百倍不等。

基于经典存储器的量子计算机存储系统

量子计算机具有许多与经典计算机不同的量子特性,其性能远远优于经典计算机,但量子力学特有的性质也使得量子计算机的设计方法不同于经典计算机。在量子计算机中应用经典计算机的存储层次将会遇到一些前所未有的困难,文章提出了一种解决方案,以便能够在量子计算机的存储系统中应用与经典计算机类似的层次结构来提高访存性能。最后,文章给出了这种层次结构下访存性能的分析结果,指出了在何种条件下才能最大程度地发挥层次结构的性能。

计算机生成群体兵力系统中的想定生成系统实现

介绍了计算机生成群体兵力系统中的想定生成系统实现方法。首先,描述了想定生成系统的总体结构。然后从作战单元、作战环境、作战行为等方面介绍了想定生成系统各模块的实现方法。最后面向大规模并行仿真,提出想定数据的处理方法。该想定生成系统具有很好的模块独立性、可重用性、可移植性和可维护性等优点。

高性能计算机总线变换器输出阻抗优化设计

针对中间母线架构分布式供电的高性能计算机电源稳定性问题,详细分析了三种不同控制方法总线变换器的输出阻抗特性,给出了负载点变换器输入阻抗低频值和总线变换器输出阻抗峰值的计算公式。建立了由一个总线变换器和两个负载点变换器组成的实验电路,对总线变换器输出阻抗进行了优化设计,并实际测量了输入和输出阻抗,验证了理论分析的正确性。实验和应用结果表明,输出阻抗优化设计可以有效解决高性能计算机电源稳定性问题。

超级计算机电源设计及实现

为了满足某千万亿次超级计算机高效率、低成本、高可靠的供电要求,采用了12 V直流分布式供电系统。详细介绍了机柜级、板级和处理器的电源设计框图和工作原理,采用SIMPLIS仿真软件对电压调节模块和其他DC-DC变换器进行了仿真和验证。在此基础上,对系统稳定性进行了分析,提出了解决稳定性问题的若干措施。最后实测了系统运行时的部分电源电压波形。测量和运行结果表明,电源设计完全满足该超级计算机的供电要求。

显式授权机制及对应的可信安全计算机

现代计算机系统对恶意程序窃取、破坏信息无能为力的根本原因在于系统强行代替用户行使对信息的支配权,却又不能忠实履行用户的意愿.对此提出显式授权机制,给出了信息窃取、破坏型恶意程序的精确定义,并证明基于显式授权机制的计算机能够实时、可靠抵御恶意程序的窃取、破坏攻击;给出了基于该机制的两种可信安全计算机系统.第一种可信安全计算机系统是直接将显式授权机制融入到操作系统中,能够实时、可靠抵御任意恶意程序和隐藏恶意的应用程序的信息攻击,同时与现有计算机系统具有很好的软硬件兼容性.第二种可信安全计算机系统对现有计算机硬件结构、操作系统均有小改动,但具有更强的抗攻击性能,能够实时、可靠阻止恶意操作系统自身发起的破坏攻击.

高性能计算机中电压调节模块阻抗特性研究

针对高性能计算机中电源模块或子系统之间相互作用而导致的不稳定性问题,详细研究了多核处理器电压调节模块的输入输出阻抗特性。建立了电压调节模块的小信号模型和系统框图,求出了各种传递函数,设计了反馈补偿回路,并对开环和闭环阻抗特性进行了仿真和实际测量。仿真和测量结果为解决系统稳定性问题打下了基础。

一种并行计算机互连网络中的地址转换Cache

当前在大规模并行计算机中,多数并行程序的用户习惯于使用虚拟地址进行编程.因此,虚拟地址与物理地址之间的转换效率直接影响了并行程序的执行性能,而cache能够有效地提高虚实地址转换的效率并降低延迟.提出了一种在大规模并行计算机互连网络中的地址转换cache.它采用了嵌入式DRAM(embedded dynamic random access memory,eDRAM)存储器,容纳更多的地址转换表项,从而提高命中率.并设计一种eDRAM刷新机制,隐藏了刷新操作,避免刷新导致的性能损失.ATC(address translation cache)中实现了诸如纠错码与旁路机制等多种可靠性设计.在32个计算结点上运行业界公认的NPB测试程序,结果显示32个结点中ATC的平均命中率达到了95.3%,表明ATC设计的正确性与高性能.并且通过与3种传统SRAM(static random access memory)实现的cache进行对比实验,说明了cache容量是提高命中率的关键因素.

高效能计算机风冷控制策略研究

为了提高风扇工作效率、降低能耗、削弱噪音,深入研究了直流风扇的种类、控制方式及控制原理。利用最先进的控制技术并选择最新的控制器件实现了风冷模块的控制方案。该设计技术最终应用在天河超级计算机全系统各类风冷机柜内。实践及测试结果证明该控制技术是可靠实用的。

计算机系统结构远程实验平台的设计与实现

设计并实现了一种面向计算机体系结构课程实验的远程实验平台,并在该平台上搭载了真实的硬件实验环境——系统结构实验电路板。该平台采用C/S架构,用户通过客户端远程登录,即可将本地代码上传到与服务器相连的实验板上运行。服务器不断从实验板采集运行状态和实验数据,反馈到客户端显示,确保实验实时性,提高了实验效率。

基于NBD机制的高性能计算机系统内存优化方案

随着多核、异构等计算机技术的飞速发展,高性能计算机的计算性能现已达到亿亿次量级.随着高性能计算机技术的成熟,高性能应用对系统内存产生不同的需求.超级计算机每个结点都按一定标准配置了内存,在实际使用中,因不同应用对于内存需求量的不同,很容易出现有的结点空闲内存较多,而有的结点内存紧张的情况.为较好地运行内存消耗量大的高性能应用,提出了一种基于网络块设备(network block device,NBD)机制使用远程结点内存构建page swap区的内存优化技术.该技术利用了超级计算机中通过网络访问远地内存性能优于访问本地磁盘性能的特点,采用了远程内存交换盘技术,使得本地节点在内存紧张时可将页面交换到远地节点的物理内存上.并将该技术应用到"天河一号"超级计算机系统上,以测试其性能并提高超级计算机的内存使用效率.

普适计算中间件技术

普适计算中间件通过软件基础设施重用支持上层应用的高效开发和便捷运行,是普适计算领域的研究热点。对普适计算中间件设计挑战进行了归纳,从上下文管理、中间件层自适应、面向自适应的公共服务和自适应软件体系结构支持等方面总结、阐述和分析了普适计算中间件的各项关键技术,分类介绍了主要普适计算中间件项目,给出了未来研究发展趋势。