集成技術(shù)期刊《新型存儲器件與系統(tǒng)專題》上線
近年來,隨著云計算、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈和元宇宙等新型應用的全面普及和快速發(fā)展,對存儲系統(tǒng)在容量、性能、可靠和安全等多個方面都提出了新的需求和技術(shù)挑戰(zhàn)。同時,新型存儲器件也不斷涌現(xiàn),大容量固態(tài)盤、高速持久內(nèi)存等新器件對整個計算機體系結(jié)構(gòu)和軟件模型框架等都產(chǎn)生重要影響。作為計算機重要組成部分的存儲正面臨新應用和新器件的雙重挑戰(zhàn),如何在計算機體系結(jié)構(gòu)中高效融合新器件、充分發(fā)揮存儲系統(tǒng)的性能優(yōu)勢、全面支持新興應用是當前存儲系統(tǒng)和器件需要解決的重要問題。非常感謝華中科技大學華宇教授擔任客座編輯,為《集成技術(shù)》組織了該期《新型存儲器件與系統(tǒng)專題》,與廣大讀者分享國內(nèi)學者在這一重要領(lǐng)域的研究進展以及對未來發(fā)展趨勢的展望與分析。
此外,本期也收錄了《生物醫(yī)藥與生物醫(yī)學工程》、《新能源新材料》領(lǐng)域的兩篇文章。歡迎關(guān)注。

圖:《集成技術(shù)》2022年第3期
● 客座編輯
華宇教授
華中科技大學
華宇,華中科技大學教授,中國計算機學會杰出會員和杰出演講者。研究方向包括新型存儲器件、云存儲系統(tǒng)和非易失存儲系統(tǒng)等。在 OSDI、ASPLOS、MICRO、FAST、VLDB、HPCA、SC 等國際會議,以及 ACM TOS、IEEE TPDS、IEEE TCAD、IEEE TC 等期刊上發(fā)表論文 150 余篇,出版專著 1 部。在 ACM APSys 2019、ICDCS 2021 等國際會議上擔任程序共同主席/副主席,在 OSDI、ASPLOS、FAST、USENIX ATC、EuroSys、SC 等學術(shù)會議上擔任程序委員。研究成果獲得教育部自然科學一等獎、湖北省科技進步一等獎以及 IEEE HPCC 2021 的最佳論文獎等,培養(yǎng)的博士生獲得 ACM 中國優(yōu)秀博士學位論文的全國獎。

1.序言:新型存儲器件與系統(tǒng)
鏈接:https://jcjs.siat.ac.cn/jcjs/article/abstract/202203000?st=article_issue
2.非易失性內(nèi)存安全技術(shù)綜述
鏈接:http://jcjs.siat.ac.cn/jcjs/article/abstract/202203001?st=article_issue
摘要:大數(shù)據(jù)應用對內(nèi)存容量的需求越來越大,而在大數(shù)據(jù)應用中,以動態(tài)隨機存儲器為內(nèi)存介質(zhì)的傳統(tǒng)存儲器所凸顯出來的問題也越來越嚴重。計算機設(shè)計者們開始考慮用非易失性內(nèi)存去替代傳統(tǒng)的動態(tài)隨機存儲器內(nèi)存。非易失性內(nèi)存作為非易失的存儲介質(zhì),不需要動態(tài)刷新,因此不會引起大量的能量消耗;此外,非易失性內(nèi)存的讀性能與動態(tài)隨機存儲器相近,且非易失性內(nèi)存單個存儲單元的容量具有較強的可擴展性。但將非易失性內(nèi)存作為內(nèi)存集成到現(xiàn)有的計算機系統(tǒng)中,需要解決其安全性問題。傳統(tǒng)的動態(tài)隨機存儲器作為內(nèi)存介質(zhì)掉電后數(shù)據(jù)會自動丟失,即數(shù)據(jù)不會在存儲介質(zhì)中駐留較長時間,而當非易失性內(nèi)存作為非易失性存儲介質(zhì)時,數(shù)據(jù)可以保留相對較久的時間。若攻擊者獲得了非易失性內(nèi)存存儲器的訪問權(quán),掃描存儲內(nèi)容,便可以獲取內(nèi)存中的數(shù)據(jù),這一安全性問題被定義為數(shù)據(jù)的“恢復漏洞”。因此,在基于非易失性內(nèi)存模組的數(shù)據(jù)中心環(huán)境中,如何充分有效地利用非易失性內(nèi)存,并保證其安全性,成為迫切需要解決的問題。該文從非易失性內(nèi)存的安全層面出發(fā),對近年來的研究熱點及進展進行介紹。首先,該文總結(jié)了非易失性內(nèi)存所面臨的主要安全問題,如數(shù)據(jù)竊取、完整性破壞、數(shù)據(jù)一致性與崩潰恢復,以及由加解密和完整性保護技術(shù)引入而導致的系統(tǒng)性能下降等問題。然后,針對上述各問題,對組合計數(shù)器模式加密技術(shù)、完整性保護技術(shù)擴展的默克爾樹、數(shù)據(jù)一致性與崩潰恢復技術(shù),以及相關(guān)優(yōu)化方案作了詳細介紹。最后,對全文進行了總結(jié),并對非易失性內(nèi)存未來需要進一步關(guān)注的問題進行了展望。

3.基于閃存存儲的近數(shù)據(jù)處理技術(shù)綜述
鏈接:http://jcjs.siat.ac.cn/jcjs/article/abstract/202203002?st=article_issue
摘要:在馮·諾依曼架構(gòu)中,存儲與計算的分離造成了存儲墻問題,導致現(xiàn)有的系統(tǒng)架構(gòu)難以應對大數(shù)據(jù)和人工智能時代的數(shù)據(jù)爆炸。數(shù)據(jù)的持續(xù)增長導致了計算范式的變化,研究者們開始嘗試將計算單元移動到存儲器中,即近數(shù)據(jù)處理技術(shù)。近數(shù)據(jù)處理技術(shù)是指利用存儲控制器的計算能力,執(zhí)行與數(shù)據(jù)存取緊密相關(guān)的任務,在減少數(shù)據(jù)遷移的同時,具有低延遲、高可擴展性和低功耗等優(yōu)點,具有廣闊的應用前景。該文首先介紹了近數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的架構(gòu),其次針對特定應用和面向通用場景的相關(guān)研究成果進行概述,并總結(jié)了軟硬件平臺和產(chǎn)業(yè)進展,最后展望了其未來的發(fā)展趨勢。

4.非易失性存儲器件的性能、可靠性及應用
鏈接:http://jcjs.siat.ac.cn/jcjs/article/abstract/202203003?st=article_issue
摘要:隨著大數(shù)據(jù)和人工智能應用的發(fā)展,數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長,對數(shù)據(jù)存儲的需求日益加劇。傳統(tǒng)內(nèi)存技術(shù)的容量已經(jīng)接近其物理存儲密度的極限,而非易失性存儲器具有按字節(jié)尋址、能耗低、讀寫速度快等優(yōu)良特性,有望替代傳統(tǒng)的動態(tài)隨機存儲器或磁盤技術(shù)。然而,該介質(zhì)本身也存在一些不足,如使用壽命有限、讀寫速度不對稱、磨損不均衡和錯誤來源多樣等缺點。該文通過闡述常見非易失性存儲器的存儲原理,調(diào)研并總結(jié)了一些現(xiàn)有改進技術(shù)。

5.基于非易失性存儲器的存儲引擎性能優(yōu)化
鏈接:http://jcjs.siat.ac.cn/jcjs/article/abstract/202203004?st=article_issue
摘要:非易失性存儲器具有接近內(nèi)存的讀寫速度,可利用其替換傳統(tǒng)的存儲設(shè)備,從而提升存儲引擎的性能。但是,傳統(tǒng)的存儲引擎通常使用通用塊接口讀寫數(shù)據(jù),導致了較長的 I/O 軟件棧,增加了軟件層的讀寫延遲,進而限制了非易失性存儲器的性能優(yōu)勢。針對這一問題,該文以 Ceph 大數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)為基礎(chǔ),研究設(shè)計了基于非易失性存儲器的新型存儲引擎 NVMStore,通過內(nèi)存映射的方式訪問存儲設(shè)備,根據(jù)非易失性存儲器的字節(jié)可尋址和數(shù)據(jù)持久化特性,優(yōu)化數(shù)據(jù)讀寫流程,從而減小數(shù)據(jù)寫放大以及軟件棧的開銷。實驗結(jié)果表明,與使用非易失性存儲器的傳統(tǒng)存儲引擎相比,NVMStore能夠顯著提升 Ceph 的小塊數(shù)據(jù)讀寫性能。

6.消費級混合式固態(tài)存儲分析與研究
鏈接:http://jcjs.siat.ac.cn/jcjs/article/abstract/202203005?st=article_issue
摘要:混合式固態(tài)存儲已成為當前消費級終端領(lǐng)域的主流存儲設(shè)備。然而在學術(shù)領(lǐng)域,關(guān)于混合式固態(tài)存儲設(shè)計和問題的討論與分析仍不夠充分。該文針對現(xiàn)有的混合式存儲設(shè)備,結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域前沿研究,從混合式閃存架構(gòu)介紹、亟待解決的痛點問題和相關(guān)研究進展 3 個方面進行討論和分析。文章介紹和分析了混合式閃存的主流架構(gòu)及其特點,展示了在真實設(shè)備平臺上測試的實驗數(shù)據(jù)結(jié)果,揭露了混合式閃存中亟待解決的問題,重點介紹了讀特征、寫特征、讀寫沖突和容量特征相關(guān)問題。同時 介紹了相應問題的最新研究進展,并分析了各個技術(shù)的優(yōu)劣和未來的發(fā)展方向。

7.糾刪碼存儲下的離線批處理作業(yè)性能優(yōu)化
鏈接:http://jcjs.siat.ac.cn/jcjs/article/abstract/202203006?st=article_issue
摘要:隨著互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的爆發(fā)式增長,越來越多的分布式存儲系統(tǒng)開始引入糾刪碼存儲機制,以在提供數(shù)據(jù)可靠性的同時降低存儲開銷。但糾刪碼機制的引入改變了數(shù)據(jù)放置模式,從而影響分布式系統(tǒng)上層業(yè)務的數(shù)據(jù)訪問和運行效率。在異構(gòu) Hadoop 集群環(huán)境中,一類典型的離線批處理作業(yè)——MapReduce 應用在條帶式糾刪碼存儲模式下需要從多個節(jié)點訪問數(shù)據(jù),該“一對多”的數(shù)據(jù)訪問模式由于節(jié)點性能差異造成應用執(zhí)行效率下降。對此,該文提出了一種基于異構(gòu)環(huán)境的數(shù)據(jù)放置和任務分 配策略。通過對異構(gòu)集群中各節(jié)點的硬件參數(shù)和歷史負載進行分析,將同一糾刪碼條帶的數(shù)據(jù)塊盡可能分布在性能相近的節(jié)點上;在系統(tǒng)進行任務分配時,針對各節(jié)點當前負載和運算能力確定節(jié)點的任務并發(fā)度,以平衡各節(jié)點計算資源的占用情況,從而避免因數(shù)據(jù)訪問或計算過程中的資源競爭產(chǎn)生極端緩慢任務以致降低整個 MapReduce 應用的運行效率。實驗結(jié)果表明,相比當前 Hadoop 默認的隨機數(shù)據(jù)放置和任務分配策略,該文提出的異構(gòu)感知數(shù)據(jù)放置策略和動態(tài)任務分配策略能夠在不同類型的MapReduce 應用中有效削弱任務的長尾效應,使得作業(yè)整體運行時間節(jié)約 10.5%~42%,驗證了該方案的有效性。

專欄:生物醫(yī)藥與生物醫(yī)學工程
一種融合二維和三維卷積網(wǎng)絡的兩階段冠狀動脈分割方法
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摘要:心血管疾病是一種嚴重危害公眾健康的重大疾病。與其他心血管疾病相比,冠心病是導致死亡的最主要原因,精確的冠狀動脈分割對冠心病的治療有重要意義。目前,深度學習已經(jīng)廣泛應用于醫(yī)學影像領(lǐng)域,然而,像冠狀動脈這樣的小物體的分割仍然是一大挑戰(zhàn)。針對冠狀動脈精確分割的需求,該研究提出了一種融合二維和三維卷積網(wǎng)絡的方案,利用骨架作為橋梁,結(jié)合二維和三維卷積網(wǎng)絡,擴大了卷積網(wǎng)絡的信息接受域。與其他深度學習方法相比,該方法在敏感度、Dice 系數(shù)、ROC 曲線下方的面積、豪斯多夫距離上均有一定程度的提升,且可以檢測其他方法無法識別的冠狀動脈,一定程度上解決了血管斷連和血管缺失等問題。

專欄:新能源新材料
高四方性超細 BaTiO 3 納米粉體的制備與性能研究
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摘要:高四方性的 BaTiO 3 超細粉體是下一代多層陶瓷電容器的關(guān)鍵材料。該文探究了砂磨介質(zhì)尺寸和原料 TiO 2 晶相對反應物活性、產(chǎn)物介電性能的影響,并利用砂磨固相法成功合成了高四方性 BaTiO 3超細粉體。分析場發(fā)射掃描電子顯微鏡照片和 X 射線光電子能譜發(fā)現(xiàn),細砂磨介質(zhì)粉碎原料的效率更高,機械活化作用更強。Raman 光譜和 X 射線衍射圖譜顯示,在高能砂磨過程中,TiO 2 由銳鈦礦相先后轉(zhuǎn)變?yōu)?TiO 2 -II 相、金紅石相。分析微商熱重曲線和 X 射線衍射,結(jié)果表明,砂磨介質(zhì)更能有效降低反應溫度和抑制 Ba 2 TiO 4 的生成。此外,高分辨透射電子顯微鏡圖像揭示了 BaTiO 3 的形成是 Ba 2+向 TiO 2 晶格擴散的過程。該文相關(guān)實驗結(jié)果表明,利用直徑為 0.1 mm 的 ZrO 2 磨球?qū)︿J鈦礦相 TiO 2 和 BaCO 3 混合物砂磨 4 h,并在 1 100 ℃ 煅燒 3 h 后,獲得了平均粒徑為 186 nm、四方性為 1.009 2且分散性良好的 BaTiO 3 粉體,該粉體在 1 250 ℃ 燒結(jié)的陶瓷相對密度為 96.11%,居里點(137.8 ℃)的介電常數(shù)峰值為 8 677。
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《集成技術(shù)》(CN 44-1691/T,ISSN 2095-313)系由中國科學院主管,中國科學院深圳先進技術(shù)研究院和科學出版社主辦的理工科綜合性學術(shù)刊物,以促進多學科交叉融合創(chuàng)新、促進科研成果與實際應用的交流與轉(zhuǎn)化為宗旨,聚焦多學科交叉集成創(chuàng)新前沿,重點關(guān)注信息技術(shù)、生物技術(shù)、新能源與新材料等領(lǐng)域。雜志官網(wǎng):http://jcjs.siat.ac.cn/jcjs/home。

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