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

2023 Vol.24 No.5 P.633-766

Cover:

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Contents:

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<<< CONTENTS >>>

Special Feature on Design and Application of New Storage Systems

Editorial: Design and application of new storage systems

Guangyan ZHANG, Dan FENG, Keqin LI, Zili SHAO, Nong XIAO, Jin XIONG, Weimin ZHENG

DOI: 10.1631/FITEE.2310000 Downloaded: 1150 Clicked: 816 Cited: 0 Commented: 0(p.633-636) <Full Text>

Chinese summary <11> 新型存儲系統設計與應用

張廣豔¹，馮丹²，李克勤³，邵子立⁴，肖侬⁵，熊勁⁶，鄭緯民¹
¹清華大(dà)學計算機科學與技術系，中(zhōng)國北(běi)京市，100084
²華中(zhōng)科技大(dà)學計算機科學與技術學院，中(zhōng)國武漢市，430074
³紐約州立大(dà)學計算機科學系，美國紐約市，12561
⁴香港中(zhōng)文大(dà)學計算機科學與工(gōng)程系，中(zhōng)國香港特别行政區
⁵中(zhōng)山大(dà)學計算機學院，中(zhōng)國廣州市，510000
⁶中(zhōng)國科學院計算技術研究所，中(zhōng)國北(běi)京市，100190
存儲系統是計算機的核心，在人工(gōng)智能、大(dà)數據、雲計算和物(wù)聯網等新興戰略産業的可持續發展中(zhōng)起着重要作用。随着處理器和網絡設備性能不斷提高，存儲軟件棧成爲限制數據密集型系統性能的主要因素。近年來，新型存儲設備因其打破"内存牆"的能力而受到廣泛關注。這些設備包括支持塊尋址的閃存設備、支持字節尋址的非易失性存儲器、存算一(yī)體(tǐ)化設備以及大(dà)容量光存儲。構建高吞量、低延遲和高可靠性的大(dà)規模存儲系統，需要對算法、軟件設計和硬件的持續創新。這些創新可以應對大(dà)規模、高性能複雜(zá)結構系統構建中(zhōng)存在的挑戰，還可以增加相關系統的構建和應用經驗，加快大(dà)數據處理系統的開(kāi)發速度。
研究人員(yuán)一(yī)直緻力于解決"内存牆"問題，并改進相關軟硬件生(shēng)态系統，從而在新型存儲系統設計和應用方面取得很大(dà)進展，包括但不限于以下(xià)方面：
1. 不斷推出和優化新型存儲設備，例如開(kāi)放(fàng)通道固态盤、可字節尋址的非易失性存儲器以及存算一(yī)體(tǐ)化設備。此外(wài)，陸續推出模拟器、仿真器和軟件定義設備開(kāi)發平台，促進了新型存儲設備的設計和優化。
2. 現有存儲軟件系統最初爲硬盤或傳統固态硬盤而設計，不能充分(fēn)發揮新型存儲設備性能潛力。針對新型存儲設備，設計了許多新型文件系統、存儲管理軟件、非關系型數據庫以及關鍵組件。
3. 利用新型存儲設備加速應用求解（如組合優化問題）和提升傳統存儲系統（如基于機械硬盤的糾删碼存儲）性能。
在此背景下(xià)，《信息與電子工(gōng)程前沿（英文）》期刊組織了本期"新型存儲系統設計與應用"專題。專題涵蓋針對新型存儲設備的輔助設計工(gōng)具、各種存儲軟件、方法與相關應用，以及對新型存儲系統前沿進展和未來研究方向的綜述。經嚴格評審，選入7篇論文，包括1篇綜述和6篇研究。

Review: A survey on design and application of open-channel solid-state drives

Junchao CHEN, Guangyan ZHANG, Junyu WEI

DOI: 10.1631/FITEE.2200317 Downloaded: 1224 Clicked: 1322 Cited: 0 Commented: 0(p.637-658) <Full Text> <PPT> 256

Chinese summary <9> 開(kāi)放(fàng)通道固态硬盤的設計與應用研究綜述

陳軍超^1,2,3，張廣豔^1,3，魏鈞宇^1,3
¹清華大(dà)學計算機科學與技術系，中(zhōng)國北(běi)京市，100084
²西安衛星測控中(zhōng)心，中(zhōng)國西安市，710043
³清華大(dà)學北(běi)京信息科學與技術國家研究中(zhōng)心，中(zhōng)國北(běi)京市，100084
摘要：與傳統的固态硬盤（SSDs）相比，開(kāi)放(fàng)通道固态硬盤（OCSSDs）向外(wài)暴露了它們的内部物(wù)理布局，并提供了一(yī)個基于主機端的閃存轉換層（FTL），使得它允許主機端軟件根據具體(tǐ)場景和需求控制其内部操作，如垃圾回收（GC）和輸入/輸出（I/O）調度等。本文對近年來基于OCSSDs的研究工(gōng)作進行了全面的調研，總結了它們如何利用OCSSDs的特性來實現高吞吐量、低訪問延遲、長壽命、強性能隔離(lí)和高資(zī)源利用率等目标，并從接口定制、FTL協同設計、内部并行性挖掘、I/O調度和GC處理等五個方面對這些工(gōng)作進行了深入的研究分(fēn)析。我(wǒ)們讨論了目前研究工(gōng)作的優勢和不足，并發現幾乎所有的這些研究方法都面臨着性能有效性和管理複雜(zá)性之間的困境。本文旨在通過開(kāi)展綜述調研能爲希望進入這一(yī)領域的研究人員(yuán)提供關于OCSSDs的基礎知(zhī)識，并進一(yī)步激發他們在相關研究工(gōng)作中(zhōng)的新想法。

關鍵詞組：領域專用存儲；閃存轉換層；垃圾回收；内部并行性；開(kāi)放(fàng)通道固态硬盤（OCSSDs）

SoftSSD: enabling rapid flash firmware prototyping for solid-state drives^&

Jin XUE, Renhai CHEN, Tianyu WANG, Zili SHAO

DOI: 10.1631/FITEE.2200456 Downloaded: 1319 Clicked: 960 Cited: 0 Commented: 0(p.659-674) <Full Text> <PPT> 205

Chinese summary <9> 基于SoftSSD的快速固态硬盤固件原型開(kāi)發

薛進¹，陳仁海²，王天雨¹，邵子立¹
¹香港中(zhōng)文大(dà)學計算機科學與工(gōng)程學院，中(zhōng)國香港特别行政區，999077
²天津大(dà)學智能與計算學部，中(zhōng)國天津市，300354
摘要：近年來，固态硬盤已被廣泛用于新興的數據處理系統中(zhōng)。從本質上講，固态硬盤是一(yī)個複雜(zá)的嵌入式系統，涉及硬件和軟件設計。對于軟件設計來說，固件模塊如閃存轉換層協調了内部操作和閃存管理，并對固态硬盤的整體(tǐ)輸入/輸出性能至關重要。盡管市場上新的固态硬盤功能發展迅速，但由于缺乏真實和可擴展的固态硬盤開(kāi)發平台，閃存固件的研究大(dà)多是基于模拟方法實現。本文提出SoftSSD，一(yī)個面向軟件的用于快速閃存固件原型開(kāi)發的固态硬盤開(kāi)發平台。SoftSSD的核心是一(yī)個具有事件驅動編程模型的新型框架。通過該編程模型，新的閃存轉換算法可以被直接集成到全功能的閃存固件中(zhōng)。由此産生(shēng)的閃存固件可以部署到一(yī)個通過外(wài)設組件互連總線連接到主機系統的硬件開(kāi)發闆上并對其進行評估。不同于現有的面向硬件的開(kāi)發平台，SoftSSD通過軟件方式實現了大(dà)部分(fēn)的固态硬盤功能組件。因此，曾經被限制在硬件中(zhōng)的數據流和内部狀态現在可以用軟件調試器來檢查以提供更好的可觀察性和可擴展性，這對閃存固件的快速原型設計和研究至關重要。我(wǒ)們描述了SoftSSD的編程模型和硬件設計，在原型開(kāi)發闆上進行了實際應用工(gōng)作負載的實驗，以展示SoftSSD的性能和實用性，并發布了SoftSSD的開(kāi)源代碼供公衆使用。

關鍵詞組：固态硬盤；存儲系統；軟硬件協同設計

NICFS: a file system based on persistent memory and SmartNIC

Yitian YANG, Youyou LU

DOI: 10.1631/FITEE.2200469 Downloaded: 700 Clicked: 939 Cited: 0 Commented: 0(p.675-687) <Full Text> <PPT> 244

Chinese summary <8> NICFS：基于持久化内存和智能網卡的文件系統

楊倚天，陸遊遊
清華大(dà)學計算機科學與技術系，中(zhōng)國北(běi)京市，100084
摘要：持久化内存和智能網卡等新型硬件的湧現，爲文件系統架構設計帶來新機遇。本文設計并實現一(yī)個基于持久化内存和智能網卡的新型文件系統NICFS。我(wǒ)們将NICFS分(fēn)爲前端與後端。在前端，數據的寫入以日志(zhì)結構的方式追加寫到持久化内存上，從而發揮持久化内存的快速持久化優勢；在後端，日志(zhì)中(zhōng)的數據在後台被獲取、處理并寫入到文件中(zhōng)，從而充分(fēn)利用智能網卡的處理能力。實驗結果顯示，NICFS在大(dà)粒度和小(xiǎo)粒度的讀/寫性能上分(fēn)别比Ext4高出約21%/10%和19%/50%。

關鍵詞組：非易失内存；持久化内存；數據處理器；智能網卡；文件系統

An efficient wear-leveling-aware multi-grained allocator for persistent memory file systems^&

Zhiwang YU, Runyu ZHANG, Chaoshu YANG, Shun NIE, Duo LIU

DOI: 10.1631/FITEE.2200468 Downloaded: 877 Clicked: 1011 Cited: 0 Commented: 0(p.688-702) <Full Text> <PPT> 208

Chinese summary <8> 一(yī)種磨損感知(zhī)的持久化内存文件系統高效多粒度分(fēn)配器

餘志(zhì)旺¹，張潤宇¹，楊朝樹(shù)¹，聶順²，劉铎²
¹貴州大(dà)學計算機科學與技術學院公共大(dà)數據國家重點實驗室，中(zhōng)國貴陽市，550000
²重慶大(dà)學計算機學院，中(zhōng)國重慶市，404100
摘要：持久化内存文件系統通過充分(fēn)利用持久化内存所具有的非易失性、可字節尋址以及與動态随機存取存儲器（DRAM）相媲美的訪問延遲等特性，極大(dà)提升了文件系統性能。然而，由于持久化内存普遍存在寫耐受度低的缺陷，現有持久化内存文件系統空間管理策略導緻的不平衡寫操作極易将底層持久化内存磨損穿，嚴重威脅數據可靠性。因此，本文提出一(yī)種磨損均衡感知(zhī)的多粒度分(fēn)配器（Wear-leveling-aware Multi-grained Allocator，簡稱WMAlloc），以實現持久化内存的磨損均衡，同時提高文件系統性能。WMAlloc采用不同粒度的最小(xiǎo)堆來管理持久化内存的未使用空間。對于每次分(fēn)配請求，WMAlloc可快速從相應粒度的最小(xiǎo)堆中(zhōng)分(fēn)配磨損較少的塊。此外(wài)，爲避免WMAlloc中(zhōng)空閑塊插回多粒度最小(xiǎo)堆時觸發的節點冗餘分(fēn)割和低效遍曆查詢可用堆等問題，本文提出一(yī)種基于位圖的多粒度堆樹(shù)（BMT）結構來改善WMAlloc，稱作WMAlloc-BMT。我(wǒ)們在Linux内核集成的一(yī)種典型持久化内存文件系統NOVA中(zhōng)實現了所提WMAlloc和WMAlloc-BMT。實驗結果表明，與原始NOVA以及目前持久化内存文件系統最優秀的磨損均衡感知(zhī)分(fēn)配器DWARM相比，WMAlloc将持久化内存在4個工(gōng)作負載下(xià)的平均使用壽命分(fēn)别提高至4.11倍和1.81倍，将平均性能分(fēn)别提高至1.02倍和1.64倍。此外(wài)，與WMAlloc相比，WMAlloc-BMT将文件系統在4個工(gōng)作負載下(xià)的平均性能提高至1.08倍，并将持久化内存平均使用壽命提高至1.17倍。

關鍵詞組：文件系統；持久化内存；磨損均衡；多粒度分(fēn)配器

NEHASH: high-concurrency extendible hashing for non-volatile memory

Tao CAI, Pengfei GAO, Dejiao NIU, Yueming MA, Tianle LEI, Jianfei DAI

DOI: 10.1631/FITEE.2200462 Downloaded: 1415 Clicked: 1076 Cited: 0 Commented: 0(p.703-715) <Full Text> <PPT> 212

Chinese summary <9> NEHASH:面向非易失性内存的高并發可擴展哈希

蔡濤，高鵬飛，牛德嬌，馬躍明，雷天樂，戴健飛
江蘇大(dà)學計算機科學與通信工(gōng)程學院，中(zhōng)國鎮江市，212013
摘要：可擴展哈希是管理越來越龐大(dà)的文件系統元數據的有效方式，但其存在并發度較低和缺乏針對非易失内存（NVM）的優化等問題。本文設計了基于惰性擴展的多層哈希目錄，以提高哈希目錄管理的并發度和效率；設計了基于組的哈希桶管理算法，通過縮小(xiǎo)哈希桶大(dà)小(xiǎo)，提高哈希鍵管理的效率，從而提高動态可擴展哈希的性能；利用動态随機存取存儲器（DRAM）和NVM各自的優勢設計了面向NVM的分(fēn)層存儲策略；并在英特爾傲騰持久内存（Intel Optane DC Persistent Memory）及其驅動的基礎上，實現了面向NVM高并發可擴展哈希的原型，稱爲NEHASH。使用雅虎雲服務基準測試工(gōng)具（YCSB）與緩存行意識的可擴展哈希（CCEH）、級别哈希（level hashing）、布谷鳥哈希（cuckoo hashing）等進行比較，結果顯示NEHASH最高能提高16.5%的讀吞吐率和19.3%的寫吞吐率。

關鍵詞組：可擴展哈希；非易失内存（NVM）；高并發

DDUC: an erasure-coded system with decoupled data updating and coding

Yaofeng TU, Rong XIAO, Yinjun HAN, Zhenghua CHEN, Hao JIN, Xuecheng QI, Xinyuan SUN

DOI: 10.1631/FITEE.2200466 Downloaded: 2477 Clicked: 1040 Cited: 0 Commented: 0(p.716-730) <Full Text> <PPT> 240

Chinese summary <9> DDUC：數據更新與編碼解耦的糾删碼系統

屠要峰^1,2，肖蓉²，韓銀俊^1,2，陳正華²，金浩²，齊學成²，孫辛遠²
¹移動網絡和移動多媒體(tǐ)技術國家重點實驗室，中(zhōng)國深圳市，518000
²中(zhōng)興通訊股份有限公司，中(zhōng)國南(nán)京市，210000
摘要：在分(fēn)布式存儲系統中(zhōng)，常用的數據冗餘方法包括副本和糾删碼(erasure code，EC)。相較于副本，EC具有更好的存儲效率，但是在更新方面的開(kāi)銷更大(dà)。此外(wài)，并發更新帶來的一(yī)緻性和可靠性問題給EC應用帶來了新的挑戰。許多研究工(gōng)作都緻力于優化EC技術，包括算法優化、數據更新方法創新等，但并發更新的一(yī)緻性和可靠性問題尚未得到很好解決。本文介紹了一(yī)種将數據更新與EC編碼解耦的存儲系統，命名爲DDUC，并提出了一(yī)種副本與校驗塊結合的放(fàng)置策略。對于(N, M)的EC系統，按照N組M+1的副本進行數據布局，并将同一(yī)條帶的冗餘數據塊都放(fàng)置在校驗節點上，使得校驗節點可以自主地執行本地EC編碼。基于上述策略，實現了一(yī)種兩階段數據更新方法，在第一(yī)階段按照副本模式進行數據更新，在第二階段由校驗節點獨立完成EC編碼。這樣在保證高并發性能的同時，解決了并發更新導緻的數據可靠性降低的問題。同時利用PMem硬件的字節尋址和8字節原子寫特性實現了一(yī)種輕量級的日志(zhì)機制，在提升性能的同時保證了數據的一(yī)緻性。實驗結果表明，和當前主流的存儲系統Ceph相比，本文所提出的存儲系統并發訪問性能提升至1.70-3.73倍，時延僅爲Ceph的3.4%-5.9%。

關鍵詞組：并發更新；高可靠性；糾删碼；一(yī)緻性；分(fēn)布式存儲系統

COPPER: a combinatorial optimization problem solver with processing-in-memory architecture

Qiankun WANG, Xingchen LI, Bingzhe WU, Ke YANG, Wei HU, Guangyu SUN, Yuchao YANG

DOI: 10.1631/FITEE.2200463 Downloaded: 1333 Clicked: 805 Cited: 0 Commented: 0(p.731-741) <Full Text> <PPT> 220

Chinese summary <8> COPPER：具有存内計算架構的組合優化問題求解器

汪乾坤¹，李星辰^2,3，吳秉哲⁴，楊可³，胡炜⁵，孫廣宇^3,6,7，楊玉超³
¹北(běi)京大(dà)學軟件與微電子學院，中(zhōng)國北(běi)京市，100871
²北(běi)京大(dà)學計算機學院，中(zhōng)國北(běi)京市，100871
³北(běi)京大(dà)學集成電路學院，中(zhōng)國北(běi)京市，100871
⁴騰訊人工(gōng)智能實驗室，中(zhōng)國深圳市，518057
⁵福州大(dà)學物(wù)理與信息工(gōng)程學院，中(zhōng)國福州市，350116
⁶北(běi)京集成電路高精尖創新中(zhōng)心，中(zhōng)國北(běi)京市，100871
⁷北(běi)京智源人工(gōng)智能研究院，中(zhōng)國北(běi)京市，100080
摘要：組合優化問題（combinatorial optimization problem，COP）是一(yī)類在離(lí)散空間中(zhōng)尋找最優解的數學問題，具有廣泛的應用。然而，許多組合優化問題是NP完全的，随着問題規模的增加，解決問題所需的時間急劇增加，這促使研究人員(yuán)尋求更快速的解決方法，即使解不一(yī)定是最優的，如近似算法、啓發式算法和機器學習算法等。一(yī)些先前的工(gōng)作基于 Hopfield神經網絡提出了混沌模拟退火(huǒ)（chaotic simulated annealing，CSA），并取得了良好的表現。然而，CSA的計算模式對當前的通用處理器并不友好，且沒有專用的計算硬件。爲了高效地執行CSA，我(wǒ)們提出一(yī)種軟硬件聯合的設計方案。在軟件方面，我(wǒ)們使用适當的位寬對權重和輸出進行量化，并修改那些不适合硬件實現的計算模式。在硬件方面，我(wǒ)們設計了一(yī)種基于憶阻器的專用存内計算硬件架構COPPER。COPPER能夠高效地運行修改後的量化CSA算法，并支持流水線以獲得進一(yī)步加速。結果表明，COPPER在執行CSA算法時，速度和能耗方面都十分(fēn)出色。

關鍵詞組：組合優化問題；混沌模拟退火(huǒ)；存内計算

Regular Papers

Modulation recognition network of multi-scale analysis with deep threshold noise elimination

Xiang LI, Yibing LI, Chunrui TANG, Yingsong LI

DOI: 10.1631/FITEE.2200253 Downloaded: 2217 Clicked: 1457 Cited: 0 Commented: 0(p.742-758) <Full Text> <PPT> 206

Chinese summary <9> 具有深度阈值噪聲消除的多尺度分(fēn)析調制識别網絡

李響^1,2，李一(yī)兵^1,2，湯春瑞^3,4，李迎松^1,2
¹哈爾濱工(gōng)程大(dà)學信息與通信工(gōng)程學院，中(zhōng)國哈爾濱市，150001
²哈爾濱工(gōng)程大(dà)學先進船舶通信與信息技術工(gōng)業和信息化部重點實驗室，中(zhōng)國哈爾濱市，150001
³中(zhōng)煤科工(gōng)集團重慶研究院有限公司，中(zhōng)國重慶市，400037
⁴瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，中(zhōng)國重慶市，400039
摘要：爲了提高多變環境下(xià)調制信号識别的準确性、減少先驗知(zhī)識不足等因素對識别結果的影響，研究人員(yuán)逐漸采用深度學習技術來替代傳統的調制信号處理技術。爲了解決低信噪比下(xià)調制信号識别精度低的問題，我(wǒ)們設計了一(yī)種具有深度阈值噪聲消除的多尺度分(fēn)析調制識别網絡，在标簽平滑的對稱交叉熵函數作用下(xià)識别實際采集的調制信号。該網絡由一(yī)個具有深度自适應阈值學習的消噪編碼器和一(yī)個具有多尺度特征融合的解碼器組成。将兩個模塊進行跳躍連接，共同作用以提高整體(tǐ)網絡的魯棒性。實驗結果表明，該方法在低信噪比下(xià)比以前的方法具有更好的識别效果。該網絡展示了對噪聲阈值的靈活自學習能力以及所設計的特征融合模塊對各種調制類型的多尺度特征獲取的有效性。

關鍵詞組：信号消噪；深度自适應阈值學習網絡；多尺度特征融合；調制識别

Correspondence: Stacked arrangement of substrate integrated waveguide cavity-backed semicircle patches for wideband circularpolarization with filtering effect

Yitong YAO, Gang DONG, Zhangming ZHU, Yintang YANG

DOI: 10.1631/FITEE.2200398 Downloaded: 951 Clicked: 996 Cited: 0 Commented: 0(p.759-766) <Full Text> <PPT> 279

Chinese summary <8> 堆疊排列基于襯底集成波導腔體(tǐ)的半圓型貼片天線用于帶有濾波效應的寬帶圓極化

姚奕彤，董剛，朱樟明，楊銀堂
西安電子科技大(dà)學微電子學院，中(zhōng)國西安市，710071
摘要：文章提出一(yī)種應用于 X 頻(pín)段和 Ku 頻(pín)段衛星無線通信的帶有濾波效應的新型寬帶圓極化天線。該結構包含一(yī)個驅動層（同時也是濾波層）以及一(yī)個堆疊層（同時也是圓極化層）。帶通濾波響應中(zhōng)的兩個輻射零點，是襯底集成波導（SIW）腔體(tǐ)支持的開(kāi)口與嵌入式驅動貼片的綜合效果。引入倒角貼片作爲堆疊元件，具有同時實現圓極化和拓寬工(gōng)作帶寬的能力。使用多層印制電路闆（PCB）工(gōng)藝制作了一(yī)個尺寸爲 0.8λ₀×0.71λ₀×0.16λ₀ 的緊湊原型進行演示。實驗結果與仿真結果吻合良好，測量的 −10-dB 阻抗帶寬和 3-dB 軸比帶寬分(fēn)别爲10.83% 和 15.54%。此外(wài)，還獲得了 8.9 dBic 的左旋圓極化峰值增益，大(dà)于 7 dBic 的帶内平均左旋圓極化增益，以及良好的頻(pín)率選擇性。

關鍵詞組：圓極化；濾波效應；貼片天線；襯底集成波導