2017年3月25日 星期六 English
系统结构研究所

         北京航空航天大学计算机学院系统结构研究所长期从事新型计算机体系结构、高性能计算机、分布式并行计算、嵌入式基础支撑技术和嵌入式产品的研究与开发。在高性能计算及相关技术方面凝聚了一支由中国著名高性能计算机科学家祝明发教授和肖利民教授为学术带头人的高素质、结构合理、科研创新和产业实践互相 促进的特色突出的学术团队。学术团队的主要成员长期从事高性能计算及相关技术的研发工作,在高性能计算领域取得若干具有世界先进水平、在国内外学术界和工业界均具影响力的标志性创新成果,曾主持、组织、参与完成“深腾7000”、“深腾6800”、“深腾1800”、“深腾2600”、“曙光3000”、 “曙光2000-II”、“曙光2000-I”、“曙光1000”系列国产高性能计算机等一大批国家重大科研成果,获国家科技进步一等奖和二等奖、中科院科技进步特等奖和一等奖、北京市科学技术奖一等奖、信产部信息产业重大技术发明奖、科技部国家重点新产品奖、教育部科学技术进步奖等十多项国家级和部级科 技奖励。   

        在操作系统方面,研究所是国内最早应用和推广VRTX、RTEMS操作系统的单位之一。研究所研制的以VTRX为核心的分布式容错操作系统,成功的应用于国防某项目中的基于1553B总线的六个处理节点的分布综合控制管理系统中,得到了同行专家和用户的一致好评。同时,研究所对RTEMS嵌入式实时操 作系统内核源代码进行了完整全面的分析,改进了操作系统内核的核心算法,实现了系统模块的动态加载,进一步提高了RTEMS的实时性和可裁剪性。   

        在嵌入式系统研发方面,是国内最早研究将嵌入式和容错计算技术应用于航空电子综合化系统的单位之一。研制的四余度飞控容错计算机试验样机实现了16 位到32位飞控容错计算机系统的技术突破。先后承担了国家863重点课题“加强型智能工作站”、“可扩展并行机群系统-BBP_SPC”、“某型号长航时无人机视频编解码系统”、“基于H.264 IP Camera”和“具有分布共享存储机制的可扩展机群系统”、“基于船-地联试环境的强实时非干涉的软件测试环境”,在并行系统的构建、系统软件、负载均 衡以及专用高速网络和协议设计方面拥有丰富的经验。先后承担了多项国家和省部委重点课题,并分别获得国家科技进步奖一项和多项部委级科技进步一、二等奖。  

        近年来,团队在可重构计算关键技术研究及应用加速、体系结构模拟、及虚拟化方面开展研究工作在系统结构研究方面,我们目前正在着手开展多核计算与可重构计算融合方面的关键技术研究。在应用加速方面主要集中在利用FPGA技术实现并行系统间高性能通信协议、网络安全协议关键环节性能加速以及HPC应用关 键算法加速。在国家863重大课题“高效能计算机”项目的支持下,我们正在研究利用FPGA技术对石油勘探领域地震数据处理算法实现并行集群性能加速。同 时,我们也开展了系统模拟器相关技术的研究。在该方向上我们重点研究面向高性能嵌入式处理器的全系统模拟器,并研究采用并行技术实现模拟加速。在中法合作项目的支持下,完成了一个ARM模拟器,可以支持以ARM处理器为核心的嵌入式系统的全系统模拟,目前正在开发双核PowerPC处理器模拟器,并研究如 何采用多核/多处理器实现未来多核处理器的模拟加速。此外,在Intel(中国)研究院项目和国家863 “基于多GPU 的Cache 模拟加速技术” 课题的支持下,开展了利用用GPU技术实现面向多核架构的Cache模拟器及其加速技术的研究工作。为了支撑基于可重构计算的数据并行性能加速,我们正在开发一个面向体系结构建模的模拟器平台,以支持用户采用一种体系结构描述语言完成体系结构建模并自动生成模拟器。   

        在虚拟化和OS方面,围绕多核处理器高效虚拟化的研究目标,在面向多核处理器的HVMM系统结构、HVMM的高效切换机制、多核计算资源的高效分配和 管理调度算法,以及高效统一的I/0虚拟化方法等四个重要方面开展研究工作,在国家863课题“面向多核结构的VMM关键技术研究”的支持下,正在构建一 个面向多核结构的VMM原型系统。课题的研究工作有助于充分发挥多核结构的优越性能及巨大潜力,为进一步开展面向多核的具有虚拟化特性的新一代操作系统等研究工作奠定基础。   

        在高性能计算机研究方面开展的工作包括:(1)新型计算机体系结构:异构或混合型、可重构、多核和众核等新型体系结构。(2)高性能计算机系统软件: 并行文件系统、资源管理与作业调度、底层通信软件、负载均衡与高可用、系统管理与监控、系统部署、系统安全等。(3)高性能计算机系统硬件:高效能高集成 度的结点机技术、可扩展高速系统互连技术等。(4)高性能计算:新型计算模型和并行编程模型、高性能算法设计与优化、并行编程环境和工具等。(5)系统虚 拟化:分布协作式虚拟机监控器、系统虚拟化时钟的优化、基于虚拟机的网络安全监控等。(6)云计算:基于分布式异构资源的统一资源框架和云计算模型及其关 键技术等。(7)绿色计算:基于低功耗技术的绿色计算等。(8)“空天信融合”和“工业化信息化融合”特色研究:目前重点在“服务于航空航天应用的超级计 算”、“面向遥感遥测的后台并行处理”、“面向高性能计算机的信息安全技术”等方向开展探索性研究以培育新兴交叉科研方向。在高性能计算机研究方面,尽管建设时间较短,但发展势头良好,并取得了重要进展,例如,与联想集团、中科院计算机网络信息中心等单位于2008年联合研制成功深腾7000百万亿次超级 计算机系统,系统实测Linpack速度突破每秒106.5万亿次,在当时世界TOP500超级计算机排名第19位。系统于2009年初在中科院超级计算 中心率先投入应用,成为中国首台投入实际使用的百万亿次规模的超级计算机。近两年来,超级计算研究中心共发表学术论文33篇,其中EI检索23篇,软件学报等期刊论文6篇。已申请国家发明专利11项。目前在该研究方向承担了国家863计划(“高效能计算机系统研制及关键技术研究”、“新型服务器体系结构及 其关键技术研究”)、国家自然科学基金(“机群文件系统小文件I/O访问性能优化方法研究”、“分布式虚拟机监控器时钟系统性能优化方法研究”)、软件开 发环境国家重点实验室课题(“面向沉浸式科研环境的统一资源框架与云计算模型研究”)等一批国家级科研项目的研究工作,同时,还积极承担了一批企业科研项目(“千万亿次高效能计算机关键技术研发”等)的研发工作。   面向航空航天与国防需要的科研是研究所的重要方向和特色,以空天信融合大发展为契机,计算机软硬件技术与通信技术相结合,依托国家863、军口 863、核高基重大专项和国防、航空航天基金支持,面向航空航天科研单位重点需求项目;近年来,系统地开展了面向航空航天的复杂分布式实时系统、基于模型驱动的形式化设计方法、弹载/机载计算技术、空间网络及空间通讯协议、航电网络、军用总线互连技术、测试与仿真系统、应用建模与算法等重要航空航天特色支撑技术与科研活动,形成科学研究与人才培养相结合,理论与应用协同发展的科研结构和发展体系。   

        研究所与国际著名IT厂商(如 Intel、Motorola、Synopsys、Nokia、Siemens等公司)有着密切的合作关系,在系统结构 设计、操作系统、芯片设计、软件开发、硬件开发、软硬件实验环境及系统测试等方面积累了大量的经验,具有强大的研发实力,拥有完善的软硬件开发环境和先进的测量设备。2006年,研究所与Nokia公司成立了“北航—Nokia移动计算联合实验室”;2007年,研究所又与Intel共同成立了“北航— Intel多核技术实验室”和“联想-北航高性能计算应用联合实验室”。2004年,祝明发教授在SC2004-ATIP(2004年国际超级计算学术会 议,Pittsburgh,USA)做了题为DeepComp 6800 in China Grid Computing 的邀请报告,获得了会议组织者的好评。        

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