Journal of Zhejiang University

Current Issue: <FITEE>

Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering (former title: Journal of Zhejiang University SCIENCE C (Computers & Electronics), 2010-2014)

ISSN 2095-9184 (print); ISSN 2095-9230 (online); CN 33-1389/TP; Monthly.

FITEE is an international peer-reviewed journal indexed by SCI-E, Ei Compendex, DBLP, IC, Scopus, JST, CSA, etc. It covers research in Electrical and Electronic Engineering, including Computer Science, Information Sciences, Control, Automation, Telecommunications, and related disciplines.

Impact factor: 0.308 (2011), 0.297 (2012), 0.380 (2013), 0.415 (2014), 0.392 (2015), 0.622 (2016), 0.910 (2017), 1.033 (2018), 1.604 (2019), 2.161 (2020), 2.526 (2021).

Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering

ISSN 2095-9184 (print), ISSN 2095-9230 (online), monthly

2018 Vol.19 No.10 P.1203-1302

<<< CONTENTS >>>

Special Issue on Post-exascale Supercomputing

Guest Editors: Zuo-ning CHEN, Jack DONGARRA, Zhi-wei XU

Editorial

Editorial: Post-exascale supercomputing: research opportunities abound

Zuo-ning Chen, Jack Dongarra, Zhi-wei Xu

DOI: 10.1631/FITEE.1830000 Downloaded: 2264 Clicked: 4109 Cited: 0 Commented: 0(p.1203-1208) <Full Text>

Perspectives

Perspective: Cross-layer efforts for energy-efficient computing: towards peta operations per second per watt

Xiaobo Sharon Hu, Michael Niemier

DOI: 10.1631/FITEE.1800466 Downloaded: 2059 Clicked: 2765 Cited: 0 Commented: 0(p.1209-1223) <Full Text>

Chinese summary <21> 高效節能計算的跨層設計：爲實現每瓦特電力每秒千萬億次運算

摘要：由于基于摩爾定律的器件縮小(xiǎo)及其性能增長趨勢正在放(fàng)緩，實現快速和高效節能信息處理的新技術和計算模型越來越被關注。與此同時，越來越多證據表明，對于傳統布爾電路和馮諾依曼處理器，超CMOS器件很難與CMOS技術競争。開(kāi)發利用新興器件的獨特性能，特别是在非傳統電路和架構背景下(xià)，具有提供在功率、性能和能力方面數十或百、千倍的改進潛力。爲充分(fēn)發揮超CMOS器件的優勢，從器件到電路到體(tǐ)系結架再到算法的跨層設計工(gōng)作不可或缺。在此背景下(xià)，本文研究了嵌入式應用中(zhōng)的高性能神經網絡加速器，重點闡述了基于非傳統器件技術、電路樣式到架構的跨層工(gōng)作的幾種深度神經網絡加速器的設計，介紹了應用級基準驗證研究工(gōng)作。讨論表明，跨層設計工(gōng)作的确可以在實現極大(dà)規模高效節能處理方面帶來數量級的改進。

關鍵詞組：摩爾定律；高效節能技術；神經網絡加速器；超CMOS器件

Perspective: Exploring high-performance processor architecture beyond the exascale

Xiang-hui Xie, Xun Jia

DOI: 10.1631/FITEE.1800424 Downloaded: 2126 Clicked: 3400 Cited: 0 Commented: 0(p.1224-1229) <Full Text> <PPT> 1440

Chinese summary <29> 後E級時代高性能處理器架構的探索

摘要：科學計算與工(gōng)程應用對高性能日益增長的需求将推動高性能計算進入後E級時代。高性能處理器作爲超級計算系統核心部件，其架構設計對提高系統性能至關重要。首先介紹後E級時代高性能處理器架構設計的3個目标，即性能有效擴展、資(zī)源高效利用和适應多種應用。其次，提出标量運算衆核主芯片連接應用加速從芯片的Massa處理器架構，通過計算資(zī)源分(fēn)布和應用定制硬件的結合，滿足後E級時代高性能處理器架構設計的目标。最後，讨論了Massa架構未來需要重點研究的若幹問題。

關鍵詞組：高性能計算；後E級；處理器架構；應用定制硬件；計算資(zī)源分(fēn)布

Perspective: Networking and communication challenges for post-exascale systems

Dhabaleswar Panda, Xiao-yi Lu, Hari Subramon

DOI: 10.1631/FITEE.1800631 Downloaded: 2216 Clicked: 3002 Cited: 0 Commented: 0(p.1230-1235) <Full Text>

Chinese summary <18> 超百億億級系統面臨的網絡和通信挑戰

摘要：由于新興處理器、内存和網絡技術的顯著進步，百億億級系統将在未來幾年（2020-2022）推出。随着百億億級系統被配置和使用，具有更細粒度、更短時間步長和更大(dà)數據量的下(xià)一(yī)代應用程序将被持續需求。從發展趨勢看，2025-2035年間，下(xià)一(yī)代應用程序将需要超百億億級系統。本文關注超百億億級系統在網絡和通信方面面臨的挑戰。首先，提出超百億億級系統的設想架構。其次，從不同方面闡述面臨的挑戰，包括多種網絡技術、高性能通信和同步協議、加速器和現場可編程門戶陣列的集成支持、容錯和服務質量支持、能量感知(zhī)通信方案和協議、軟件定義網絡以及多種内存和存儲器的可擴展通信協議。再次，指出在這些系統上進行支持高性能計算、大(dà)數據和深度學習的高效編程模型設計面臨的挑戰。最後，強調了這些系統的上層共同設計運行時間的關鍵需求，以實現最優性能和可擴展性。

關鍵詞組：網絡；通信；同步；超百億億級；編程模型；大(dà)數據；高性能計算；深度學習；服務質量；加速器

Perspective: Moving from exascale to zettascale computing: challenges and techniques

Xiang-ke Liao, Kai Lu, Can-qun Yang, Jin-wen Li, Yuan Yuan, Ming-che Lai, Li-bo Huang, Ping-jing Lu, Jian-bin Fang, Jing Ren, Jie Shen

DOI: 10.1631/FITEE.1800494 Downloaded: 1899 Clicked: 3469 Cited: 0 Commented: 0(p.1236-1244) <Full Text> <PPT> 1458

Chinese summary <21> 從E級計算到Z級計算的新挑戰與新技術

摘要：高性能計算已成爲促進傳統與新興領域科技創新取得進展的基礎設施。随着高性能計算的發展，E級系統（每秒10¹⁸次浮點運算）預計2020年前後投入使用。實現E級計算後的10年（2020-2030）将成爲E級計算向Z級計算（每秒10²¹次浮點運算）過渡的關鍵時期，計算能力提升将面臨前所未有的挑戰。從硬件和軟件方面分(fēn)析未來高性能計算的挑戰，展望後E級計算時代的技術發展與革新，并提出未來實現E級計算向Z級計算過渡的可行性建議。

關鍵詞組：高性能計算；Z級計算；微處理器體(tǐ)系結構；高速互聯；存儲系統；制造工(gōng)藝；編程模型與環境

Perspective: The rise of high-throughput computing

Ning-hui Sun, Yun-gang Bao, Dong-rui Fan

DOI: 10.1631/FITEE.1800501 Downloaded: 2183 Clicked: 2861 Cited: 0 Commented: 0(p.1245-1250) <Full Text> <PPT> 1503

Chinese summary <20> 高通量計算的興起

摘要：近年來，雲計算、人工(gōng)智能和物(wù)聯網等新興計算應用的出現，對計算機系統設計提出3個共同要求：高利用率、高吞吐量和低延遲。在這裏，這些被稱爲"高通量計算"的要求。我(wǒ)們進一(yī)步提出一(yī)種新指标，稱爲"系統熵"，用于測量計算機系統的混亂程度和不确定性。我(wǒ)們認爲，與追求高性能和低功耗的傳統計算系統的設計不同，高通量計算應緻力于實現低并發性。然而，從計算機體(tǐ)系結構角度看，高通量計算面臨兩大(dà)挑戰：（1）如何充分(fēn)利用應用程序數據的并行和并發執行來實現高吞吐量；（2）如何獲得低延遲，即便在具有高利用率的數據路徑中(zhōng)發生(shēng)嚴重争用的情況下(xià)。爲應對這兩個挑戰，引入兩種技術：片上數據流體(tǐ)系結構和标簽化馮諾依曼體(tǐ)系結構。構建了兩個可以實現高吞吐量和低延遲的原型，顯著降低了系統熵。

關鍵詞組：高通量計算；系統熵；信息高鐵

Perspective: Extreme-scale parallel computing: bottlenecks and strategies

Ze-yao Mo

DOI: 10.1631/FITEE.1800421 Downloaded: 1610 Clicked: 2194 Cited: 0 Commented: 0(p.1251-1260) <Full Text> <PPT> 1256

Chinese summary <20> 超大(dà)規模并行計算：瓶頸與對策

摘要：超大(dà)規模數值模拟極大(dà)依賴并行計算能力。從計算規模、計算效率和編程生(shēng)産率3個維度，系統分(fēn)析了超大(dà)規模并行計算能力的主要瓶頸，提出亟待研究的若幹關鍵技術問題和技術對策。本文對推動數值模拟軟件計算能力與超級計算機峰值性能的同步提升具有參考價值。

關鍵詞組：超大(dà)規模；數值模拟；并行計算；超級計算機

Perspective: A vision of post-exascale programming

Ji-dong Zhai, Wen-guang Chen

DOI: 10.1631/FITEE.1800442 Downloaded: 1746 Clicked: 2748 Cited: 0 Commented: 0(p.1261-1266) <Full Text> <PPT> 1360

Chinese summary <18> 後E級系統編程模型的構想

摘要：E級高性能計算系統已經研制很長時間，可以在未來幾年投入使用。現在是時候考慮未來的後E級高性能計算系統。後E級系統存在許多主要挑戰，例如處理器體(tǐ)系結構、編程模型、存儲架構和互連網絡。讨論了後E級系統編程模型面臨的3個重要挑戰：異構性、并行性和容錯性。基于我(wǒ)們當前在大(dà)規模系統上編程的經驗，針對這些挑戰，提出一(yī)些可能的解決方案。然而，未來需要更多研究工(gōng)作以應對這些挑戰。

關鍵詞組：計算模型；容錯；異構；并行性；後E級

Perspective: Application software beyond exascale: challenges and possible trends

Guang-wen Yang, Hao-huan Fu

DOI: 10.1631/FITEE.1800459 Downloaded: 1615 Clicked: 2896 Cited: 0 Commented: 0(p.1267-1272) <Full Text> <PPT> 1286

Chinese summary <17> E級超算下(xià)應用軟件發展的挑戰與趨勢

摘要：在未來三到五年，多台百億億次超級計算機系統将在全球多個國家部署。面對前所未有的超強計算能力與超大(dà)并行規模，如何設計和實現相匹配的應用軟件，成爲當前高性能計算軟件發展的重要挑戰。以中(zhōng)國神威太湖之光超級計算機系統（峰值計算能力12.5億億次）及其相關應用挑戰和解決方案爲出發點，根據我(wǒ)們目前的經驗，讨論未來十年全球超級計算機的軟硬件發展方向，并提出未來高性能計算應用軟件開(kāi)發中(zhōng)将會遇到的潛在挑戰和可能的發展趨勢。

關鍵詞組：超級計算；百億億次；應用軟件

Research Articles

FTRP: a new fault tolerance framework using linebreak process replication and prefetching for linebreak high-performance computing

Wei Hu, Guang-ming Liu, Yan-huang Jiang

DOI: 10.1631/FITEE.1601450 Downloaded: 2015 Clicked: 4208 Cited: 0 Commented: 0(p.1273-1290) <Full Text> <PPT> 1496

Chinese summary <18> 基于進程複制和預取的高性能計算容錯框架

概要：随着超級計算機規模迅速增大(dà)，可靠性成爲制約系統可用性的主要問題。現有容錯機制，包括檢查點技術和進程冗餘等，不能有效解決該問題。爲此，提出一(yī)種基于進程複制和預取的高性能計算容錯框架-FTRP（fault tolerance frame work using process replication and prefetching），該框架兼具主動和被動容錯機制的優點，引入創新的開(kāi)銷模型和主動容錯機制，能夠有效改善應用運行效率。提出"工(gōng)作最多"（work-most，WM）的創新開(kāi)銷模型，基于故障預測結果和應用狀态，從容錯機制集中(zhōng)在線自适應給出運行容錯決策。與程序運行過程中(zhōng)的局部性相似，我(wǒ)們第一(yī)次觀察到超級計算機故障局部性現象。基于故障局部性，提出一(yī)種新的進程複制和進程預取相結合的容錯機制，無論故障能否被預測到，都能夠有效避免故障引起的損失。通過基于實際故障路徑和普通故障預測準确率的模拟實驗，并采用FTRP容錯框架的應用，可以獲得比現有容錯機制10%的改進，且在P級甚至更大(dà)規模系統上有效。

關鍵詞組：高性能計算；主動容錯；故障局部性；進程複制；進程預取

A novel non-volatile memory storage system for I/O-intensive applications

Wen-bing Han, Xiao-gang Chen, Shun-fen Li, Ge-zi Li, Zhi-tang Song, Da-gang Li, Shi-yan Chen

DOI: 10.1631/FITEE.1700061 Downloaded: 2244 Clicked: 3712 Cited: 0 Commented: 0(p.1291-1302) <Full Text> <PPT> 1583

Chinese summary <18> 針對I/O密集型應用的新型非易失存儲系統

摘要：新型存儲技術—如相變存儲器（phase change memory, PCM）的興起，爲I/O密集型應用的高性能存儲提供了新機遇。然而傳統軟件棧和硬件架構需要重構優化以提升I/O訪問效率。此外(wài)，存儲内計算技術已經成爲當前研究熱點，能有效減少I/O請求數量。提出一(yī)種基于相變存儲器的新型存儲系統，包括支持存儲内計算的文件系統（in-storage processing enabled filesy stem, ISPFS）和可配置并行計算的存儲内計算引擎。一(yī)方面，ISPFS充分(fēn)利用新型非易失存儲器（non-volatile memory, NVM）的特性，減少軟件冗餘和數據拷貝，提供低延遲、高性能的随機訪問。另一(yī)方面，ISPFS通過命令文件将ISP指令發送給存儲内計算引擎來處理I/O密集型任務。實驗證明，ISPFS的吞吐量是EXT4文件系統的2–10倍。對于I/O密集型應用，該存儲内計算方案比傳統軟件方案減少97%的I/O請求，效率提升19倍。

關鍵詞組：存儲内計算；文件系統；非易失存儲；存儲系統；I/O密集型應用