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), 2.545 (2021).

Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering

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

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: 28 Clicked: 42 Cited: 0 Commented: 0(p.633-636) <Full Text>

Chinese summary <3> 新型存储系统设计与应用

张广艳¹，冯丹²，李克勤³，邵子立⁴，肖侬⁵，熊劲⁶，郑纬民¹
¹清华大学计算机科学与技术系，中国北京市，100084
²华中科技大学计算机科学与技术学院，中国武汉市，430074
³纽约州立大学计算机科学系，美国纽约市，12561
⁴香港中文大学计算机科学与工程系，中国香港特别行政区
⁵中山大学计算机学院，中国广州市，510000
⁶中国科学院计算技术研究所，中国北京市，100190
存储系统是计算机的核心，在人工智能、大数据、云计算和物联网等新兴战略产业的可持续发展中起着重要作用。随着处理器和网络设备性能不断提高，存储软件栈成为限制数据密集型系统性能的主要因素。近年来，新型存储设备因其打破"内存墙"的能力而受到广泛关注。这些设备包括支持块寻址的闪存设备、支持字节寻址的非易失性存储器、存算一体化设备以及大容量光存储。构建高吞量、低延迟和高可靠性的大规模存储系统，需要对算法、软件设计和硬件的持续创新。这些创新可以应对大规模、高性能复杂结构系统构建中存在的挑战，还可以增加相关系统的构建和应用经验，加快大数据处理系统的开发速度。
研究人员一直致力于解决"内存墙"问题，并改进相关软硬件生态系统，从而在新型存储系统设计和应用方面取得很大进展，包括但不限于以下方面：
1. 不断推出和优化新型存储设备，例如开放通道固态盘、可字节寻址的非易失性存储器以及存算一体化设备。此外，陆续推出模拟器、仿真器和软件定义设备开发平台，促进了新型存储设备的设计和优化。
2. 现有存储软件系统最初为硬盘或传统固态硬盘而设计，不能充分发挥新型存储设备性能潜力。针对新型存储设备，设计了许多新型文件系统、存储管理软件、非关系型数据库以及关键组件。
3. 利用新型存储设备加速应用求解（如组合优化问题）和提升传统存储系统（如基于机械硬盘的纠删码存储）性能。
在此背景下，《信息与电子工程前沿（英文）》期刊组织了本期"新型存储系统设计与应用"专题。专题涵盖针对新型存储设备的辅助设计工具、各种存储软件、方法与相关应用，以及对新型存储系统前沿进展和未来研究方向的综述。经严格评审，选入7篇论文，包括1篇综述和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: 361 Clicked: 382 Cited: 0 Commented: 0(p.637-658) <Full Text> <PPT > 15

Chinese summary <2> 开放通道固态硬盘的设计与应用研究综述

陈军超^1,2,3，张广艳^1,3，魏钧宇^1,3
¹清华大学计算机科学与技术系，中国北京市，100084
²西安卫星测控中心，中国西安市，710043
³清华大学北京信息科学与技术国家研究中心，中国北京市，100084
摘要：与传统的固态硬盘（SSDs）相比，开放通道固态硬盘（OCSSDs）向外暴露了它们的内部物理布局，并提供了一个基于主机端的闪存转换层（FTL），使得它允许主机端软件根据具体场景和需求控制其内部操作，如垃圾回收（GC）和输入/输出（I/O）调度等。本文对近年来基于OCSSDs的研究工作进行了全面的调研，总结了它们如何利用OCSSDs的特性来实现高吞吐量、低访问延迟、长寿命、强性能隔离和高资源利用率等目标，并从接口定制、FTL协同设计、内部并行性挖掘、I/O调度和GC处理等五个方面对这些工作进行了深入的研究分析。我们讨论了目前研究工作的优势和不足，并发现几乎所有的这些研究方法都面临着性能有效性和管理复杂性之间的困境。本文旨在通过开展综述调研能为希望进入这一领域的研究人员提供关于OCSSDs的基础知识，并进一步激发他们在相关研究工作中的新想法。

关键词组：领域专用存储；闪存转换层；垃圾回收；内部并行性；开放通道固态硬盘（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: 22 Clicked: 32 Cited: 0 Commented: 0(p.659-674) <Full Text> <PPT > 12

Chinese summary <2> 基于SoftSSD的快速固态硬盘固件原型开发

薛进¹，陈仁海²，王天雨¹，邵子立¹
¹香港中文大学计算机科学与工程学院，中国香港特别行政区，999077
²天津大学智能与计算学部，中国天津市，300354
摘要：近年来，固态硬盘已被广泛用于新兴的数据处理系统中。从本质上讲，固态硬盘是一个复杂的嵌入式系统，涉及硬件和软件设计。对于软件设计来说，固件模块如闪存转换层协调了内部操作和闪存管理，并对固态硬盘的整体输入/输出性能至关重要。尽管市场上新的固态硬盘功能发展迅速，但由于缺乏真实和可扩展的固态硬盘开发平台，闪存固件的研究大多是基于模拟方法实现。本文提出SoftSSD，一个面向软件的用于快速闪存固件原型开发的固态硬盘开发平台。SoftSSD的核心是一个具有事件驱动编程模型的新型框架。通过该编程模型，新的闪存转换算法可以被直接集成到全功能的闪存固件中。由此产生的闪存固件可以部署到一个通过外设组件互连总线连接到主机系统的硬件开发板上并对其进行评估。不同于现有的面向硬件的开发平台，SoftSSD通过软件方式实现了大部分的固态硬盘功能组件。因此，曾经被限制在硬件中的数据流和内部状态现在可以用软件调试器来检查以提供更好的可观察性和可扩展性，这对闪存固件的快速原型设计和研究至关重要。我们描述了SoftSSD的编程模型和硬件设计，在原型开发板上进行了实际应用工作负载的实验，以展示SoftSSD的性能和实用性，并发布了SoftSSD的开源代码供公众使用。

关键词组：固态硬盘；存储系统；软硬件协同设计

NICFS: a file system based on persistent memory and SmartNIC

Yitian YANG, Youyou LU

DOI: 10.1631/FITEE.2200469 Downloaded: 137 Clicked: 161 Cited: 0 Commented: 0(p.675-687) <Full Text> <PPT > 16

Chinese summary <2> NICFS：基于持久化内存和智能网卡的文件系统

杨倚天，陆游游
清华大学计算机科学与技术系，中国北京市，100084
摘要：持久化内存和智能网卡等新型硬件的涌现，为文件系统架构设计带来新机遇。本文设计并实现一个基于持久化内存和智能网卡的新型文件系统NICFS。我们将NICFS分为前端与后端。在前端，数据的写入以日志结构的方式追加写到持久化内存上，从而发挥持久化内存的快速持久化优势；在后端，日志中的数据在后台被获取、处理并写入到文件中，从而充分利用智能网卡的处理能力。实验结果显示，NICFS在大粒度和小粒度的读/写性能上分别比Ext4高出约21%/10%和19%/50%。

关键词组：非易失内存；持久化内存；数据处理器；智能网卡；文件系统

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: 121 Clicked: 143 Cited: 0 Commented: 0(p.688-702) <Full Text> <PPT > 16

Chinese summary <2> 一种磨损感知的持久化内存文件系统高效多粒度分配器

余志旺¹，张润宇¹，杨朝树¹，聂顺²，刘铎²
¹贵州大学计算机科学与技术学院公共大数据国家重点实验室，中国贵阳市，550000
²重庆大学计算机学院，中国重庆市，404100
摘要：持久化内存文件系统通过充分利用持久化内存所具有的非易失性、可字节寻址以及与动态随机存取存储器（DRAM）相媲美的访问延迟等特性，极大提升了文件系统性能。然而，由于持久化内存普遍存在写耐受度低的缺陷，现有持久化内存文件系统空间管理策略导致的不平衡写操作极易将底层持久化内存磨损穿，严重威胁数据可靠性。因此，本文提出一种磨损均衡感知的多粒度分配器（Wear-leveling-aware Multi-grained Allocator，简称WMAlloc），以实现持久化内存的磨损均衡，同时提高文件系统性能。WMAlloc采用不同粒度的最小堆来管理持久化内存的未使用空间。对于每次分配请求，WMAlloc可快速从相应粒度的最小堆中分配磨损较少的块。此外，为避免WMAlloc中空闲块插回多粒度最小堆时触发的节点冗余分割和低效遍历查询可用堆等问题，本文提出一种基于位图的多粒度堆树（BMT）结构来改善WMAlloc，称作WMAlloc-BMT。我们在Linux内核集成的一种典型持久化内存文件系统NOVA中实现了所提WMAlloc和WMAlloc-BMT。实验结果表明，与原始NOVA以及目前持久化内存文件系统最优秀的磨损均衡感知分配器DWARM相比，WMAlloc将持久化内存在4个工作负载下的平均使用寿命分别提高至4.11倍和1.81倍，将平均性能分别提高至1.02倍和1.64倍。此外，与WMAlloc相比，WMAlloc-BMT将文件系统在4个工作负载下的平均性能提高至1.08倍，并将持久化内存平均使用寿命提高至1.17倍。

关键词组：文件系统；持久化内存；磨损均衡；多粒度分配器

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: 276 Clicked: 268 Cited: 0 Commented: 0(p.703-715) <Full Text> <PPT > 13

Chinese summary <2> NEHASH:面向非易失性内存的高并发可扩展哈希

蔡涛，高鹏飞，牛德娇，马跃明，雷天乐，戴健飞
江苏大学计算机科学与通信工程学院，中国镇江市，212013
摘要：可扩展哈希是管理越来越庞大的文件系统元数据的有效方式，但其存在并发度较低和缺乏针对非易失内存（NVM）的优化等问题。本文设计了基于惰性扩展的多层哈希目录，以提高哈希目录管理的并发度和效率；设计了基于组的哈希桶管理算法，通过缩小哈希桶大小，提高哈希键管理的效率，从而提高动态可扩展哈希的性能；利用动态随机存取存储器（DRAM）和NVM各自的优势设计了面向NVM的分层存储策略；并在英特尔傲腾持久内存（Intel Optane DC Persistent Memory）及其驱动的基础上，实现了面向NVM高并发可扩展哈希的原型，称为NEHASH。使用雅虎云服务基准测试工具（YCSB）与缓存行意识的可扩展哈希（CCEH）、级别哈希（level hashing）、布谷鸟哈希（cuckoo hashing）等进行比较，结果显示NEHASH最高能提高16.5%的读吞吐率和19.3%的写吞吐率。

关键词组：可扩展哈希；非易失内存（NVM）；高并发

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: 143 Clicked: 260 Cited: 0 Commented: 0(p.716-730) <Full Text> <PPT > 20

Chinese summary <2> DDUC：数据更新与编码解耦的纠删码系统

屠要峰^1,2，肖蓉²，韩银俊^1,2，陈正华²，金浩²，齐学成²，孙辛远²
¹移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室，中国深圳市，518000
²中兴通讯股份有限公司，中国南京市，210000
摘要：在分布式存储系统中，常用的数据冗余方法包括副本和纠删码(erasure code，EC)。相较于副本，EC具有更好的存储效率，但是在更新方面的开销更大。此外，并发更新带来的一致性和可靠性问题给EC应用带来了新的挑战。许多研究工作都致力于优化EC技术，包括算法优化、数据更新方法创新等，但并发更新的一致性和可靠性问题尚未得到很好解决。本文介绍了一种将数据更新与EC编码解耦的存储系统，命名为DDUC，并提出了一种副本与校验块结合的放置策略。对于(N, M)的EC系统，按照N组M+1的副本进行数据布局，并将同一条带的冗余数据块都放置在校验节点上，使得校验节点可以自主地执行本地EC编码。基于上述策略，实现了一种两阶段数据更新方法，在第一阶段按照副本模式进行数据更新，在第二阶段由校验节点独立完成EC编码。这样在保证高并发性能的同时，解决了并发更新导致的数据可靠性降低的问题。同时利用PMem硬件的字节寻址和8字节原子写特性实现了一种轻量级的日志机制，在提升性能的同时保证了数据的一致性。实验结果表明，和当前主流的存储系统Ceph相比，本文所提出的存储系统并发访问性能提升至1.70-3.73倍，时延仅为Ceph的3.4%-5.9%。

关键词组：并发更新；高可靠性；纠删码；一致性；分布式存储系统

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: 25 Clicked: 28 Cited: 0 Commented: 0(p.731-741) <Full Text> <PPT > 16

Chinese summary <2> COPPER：具有存内计算架构的组合优化问题求解器

汪乾坤¹，李星辰^2,3，吴秉哲⁴，杨可³，胡炜⁵，孙广宇^3,6,7，杨玉超³
¹北京大学软件与微电子学院，中国北京市，100871
²北京大学计算机学院，中国北京市，100871
³北京大学集成电路学院，中国北京市，100871
⁴腾讯人工智能实验室，中国深圳市，518057
⁵福州大学物理与信息工程学院，中国福州市，350116
⁶北京集成电路高精尖创新中心，中国北京市，100871
⁷北京智源人工智能研究院，中国北京市，100080
摘要：组合优化问题（combinatorial optimization problem，COP）是一类在离散空间中寻找最优解的数学问题，具有广泛的应用。然而，许多组合优化问题是NP完全的，随着问题规模的增加，解决问题所需的时间急剧增加，这促使研究人员寻求更快速的解决方法，即使解不一定是最优的，如近似算法、启发式算法和机器学习算法等。一些先前的工作基于 Hopfield神经网络提出了混沌模拟退火（chaotic simulated annealing，CSA），并取得了良好的表现。然而，CSA的计算模式对当前的通用处理器并不友好，且没有专用的计算硬件。为了高效地执行CSA，我们提出一种软硬件联合的设计方案。在软件方面，我们使用适当的位宽对权重和输出进行量化，并修改那些不适合硬件实现的计算模式。在硬件方面，我们设计了一种基于忆阻器的专用存内计算硬件架构COPPER。COPPER能够高效地运行修改后的量化CSA算法，并支持流水线以获得进一步加速。结果表明，COPPER在执行CSA算法时，速度和能耗方面都十分出色。

关键词组：组合优化问题；混沌模拟退火；存内计算

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: 403 Clicked: 648 Cited: 0 Commented: 0(p.742-758) <Full Text> <PPT > 15

Chinese summary <2> 具有深度阈值噪声消除的多尺度分析调制识别网络

李响^1,2，李一兵^1,2，汤春瑞^3,4，李迎松^1,2
¹哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，中国哈尔滨市，150001
²哈尔滨工程大学先进船舶通信与信息技术工业和信息化部重点实验室，中国哈尔滨市，150001
³中煤科工集团重庆研究院有限公司，中国重庆市，400037
⁴瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，中国重庆市，400039
摘要：为了提高多变环境下调制信号识别的准确性、减少先验知识不足等因素对识别结果的影响，研究人员逐渐采用深度学习技术来替代传统的调制信号处理技术。为了解决低信噪比下调制信号识别精度低的问题，我们设计了一种具有深度阈值噪声消除的多尺度分析调制识别网络，在标签平滑的对称交叉熵函数作用下识别实际采集的调制信号。该网络由一个具有深度自适应阈值学习的消噪编码器和一个具有多尺度特征融合的解码器组成。将两个模块进行跳跃连接，共同作用以提高整体网络的鲁棒性。实验结果表明，该方法在低信噪比下比以前的方法具有更好的识别效果。该网络展示了对噪声阈值的灵活自学习能力以及所设计的特征融合模块对各种调制类型的多尺度特征获取的有效性。

关键词组：信号消噪；深度自适应阈值学习网络；多尺度特征融合；调制识别

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: 186 Clicked: 217 Cited: 0 Commented: 0(p.759-766) <Full Text> <PPT > 11

Chinese summary <3> 堆叠排列基于衬底集成波导腔体的半圆型贴片天线用于带有滤波效应的宽带圆极化

姚奕彤，董刚，朱樟明，杨银堂
西安电子科技大学微电子学院，中国西安市，710071
摘要：文章提出一种应用于 X 频段和 Ku 频段卫星无线通信的带有滤波效应的新型宽带圆极化天线。该结构包含一个驱动层（同时也是滤波层）以及一个堆叠层（同时也是圆极化层）。带通滤波响应中的两个辐射零点，是衬底集成波导（SIW）腔体支持的开口与嵌入式驱动贴片的综合效果。引入倒角贴片作为堆叠元件，具有同时实现圆极化和拓宽工作带宽的能力。使用多层印制电路板（PCB）工艺制作了一个尺寸为 0.8λ₀×0.71λ₀×0.16λ₀ 的紧凑原型进行演示。实验结果与仿真结果吻合良好，测量的 −10-dB 阻抗带宽和 3-dB 轴比带宽分别为10.83% 和 15.54%。此外，还获得了 8.9 dBic 的左旋圆极化峰值增益，大于 7 dBic 的带内平均左旋圆极化增益，以及良好的频率选择性。

关键词组：圆极化；滤波效应；贴片天线；衬底集成波导