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互联网体系结构的研究与思考

电子学报 2024年第1期52卷 373-384页

作者：任丰原清华大学计算机科学与技术系北京100084

互联网是人类信息社会重要的基础设施,网络体系结构设计是其健康、有序和可持续发展的基础研究课题.本文首先梳理了网络体系结构的定义,概括了互联网发展的现状和面临的主要挑战,分析了网络体系结构研究在应对挑战和促进互联网发展中的... 详细信息

互联网是人类信息社会重要的基础设施,网络体系结构设计是其健康、有序和可持续发展的基础研究课题.本文首先梳理了网络体系结构的定义,概括了互联网发展的现状和面临的主要挑战,分析了网络体系结构研究在应对挑战和促进互联网发展中的意义和作用;然后概略介绍了历史上互联网体系结构相关的研究计划和项目,总结了相关研究成果,重点分析了网络体系结构研究实践中形成的主要观点,对网络体系结构“革命式”和“演进式”的技术路线分别进行了评述;接着分析和总结了近期的相关研究进展和发展趋势;最后结合历史和近期的相关研究,讨论了若干网体系结构研究意义、方法、设想和影响的思考与认识.

关键词：互联网体系结构参考模型可演进

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决策树码率自适应算法的无数据蒸馏框架

计算机学报 2024年第1期47卷 113-130页

作者：黄天驰李朝阳张睿霄李文哲孙立峰清华大学计算机科学与技术系北京100084

码率自适应(Adaptive Bit-Rate,ABR)算法是流媒体视频传输中至关重要的技术.该算法根据当前网络情况和播放状态等因素,为下一个视频块选择合适的码率,以确保用户获得良好的体验质量(QoE).其中,基于学习的ABR算法因其不依赖传统模型和从... 详细信息

码率自适应(Adaptive Bit-Rate,ABR)算法是流媒体视频传输中至关重要的技术.该算法根据当前网络情况和播放状态等因素,为下一个视频块选择合适的码率,以确保用户获得良好的体验质量(QoE).其中,基于学习的ABR算法因其不依赖传统模型和从头学习策略的特点,表现出良好的性能,并逐渐取代需要繁琐调优的启发式ABR算法,成为研究领域的热点.然而,这些算法使用神经网络推理,导致模型参数较多,整体计算量较大,使得在实际场景中难以部署.因此,以往的研究提出了决策树蒸馏方案,即使用轻量级的决策树来提取基于学习的ABR算法的专家策略,并在线上部署这些决策树.然而,本文的实验结果表明,过去的蒸馏框架忽略了训练环境对蒸馏后策略的影响,导致策略的泛化能力较差.因此,本文提出了一种名为NIA(data-free Network-environmental Imitationbased rate Adaptation framework)的新型无数据蒸馏框架,用于生成具有更好泛化性能的决策树A BR算法.NIA通过网络环境生成模块构建多个人工网络环境,并在每次迭代训练前使用环境选择模块来选择适合的网络场景,然后与该场景进行交互,利用基于学生驱动的模仿学习算法完成决策树的蒸馏过程.本文还设计了完整的评测平台测试NIA的性能.实验表明,NIA在各种带宽数据集上展现出良好的QoE性能和泛化性能:(1)相较于启发式算法,在QoE指标上提升了1%~46%;(2)与以往的决策树蒸馏方案相比,在低带宽场景下表现相当,但在高带宽场景下提升了近1倍;(3)总体性能接近甚至超过基于学习的算法(即专家策略)的表现.

关键词：流媒体码率自适应算法无数据蒸馏

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量子计算系统软件研究综述

软件学报 2024年第1期35卷 1-18页

作者：谢磊翟季冬清华大学计算机科学与技术系北京100084

量子计算理论上有望解决诸多经典难解问题,近年来量子计算机的快速发展正推动这一理论进入实践.然而,当前硬件中繁多的错误会造成计算结果出错,严重限制了量子计算机解决实际问题的能力.量子计算系统软件位于应用与硬件之间,充分挖掘系... 详细信息

量子计算理论上有望解决诸多经典难解问题,近年来量子计算机的快速发展正推动这一理论进入实践.然而,当前硬件中繁多的错误会造成计算结果出错,严重限制了量子计算机解决实际问题的能力.量子计算系统软件位于应用与硬件之间,充分挖掘系统软件在硬件错误减缓方面的潜力,对于近期实现有实用价值的量子计算而言至关重要.由此,近期涌现了一批量子计算系统软件研究工作.将这些工作归纳入编译器、运行时系统和调试器3个范畴,通过对它们的分析总结,梳理量子计算系统软件的研究现状,揭示其在硬件错误减缓方面的重要作用.并对未来的研究方向进行展望.

关键词：量子计算系统软件嘈杂中规模量子编译运行时调试

从BERT到ChatGPT:大模型训练中的存储系统挑战与技术发展

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计算机研究与发展 2024年第4期61卷 809-823页

作者：冯杨洋汪庆谢旻晖舒继武清华大学计算机科学与技术系北京100084

以ChatGPT为代表的大模型在文字生成、语义理解等任务上表现卓越,引起了工业界和学术界的广泛关注.大模型的参数量在3年内增长数万倍,且仍呈现增长的趋势.首先分析了大模型训练的存储挑战,指出大模型训练的存储需求大,且具有独特的计算... 详细信息

以ChatGPT为代表的大模型在文字生成、语义理解等任务上表现卓越,引起了工业界和学术界的广泛关注.大模型的参数量在3年内增长数万倍,且仍呈现增长的趋势.首先分析了大模型训练的存储挑战,指出大模型训练的存储需求大,且具有独特的计算模式、访存模式、数据特征,这使得针对互联网、大数据等应用的传统存储技术在处理大模型训练任务时效率低下,且容错开销大.然后分别阐述了针对大模型训练的3类存储加速技术与2类存储容错技术.针对大模型训练的存储加速技术包括:1)基于大模型计算模式的分布式显存管理技术,依据大模型计算任务的划分模式和计算任务间的依赖关系,设计模型数据在分布式集群中的划分、存储和传输策略;2)大模型训练访存感知的异构存储技术,借助大模型训练中的访存模式可预测的特性,设计异构设备中的数据预取和传输策略;3)大模型数据缩减技术,针对大模型数据的特征,对模型训练过程中的数据进行缩减.针对大模型训练的存储容错技术包括:1)参数检查点技术,将大模型参数存储至持久化存储介质;2)冗余计算技术,在多张GPU中重复计算相同版本的参数.最后给出了总结和展望.

关键词： ChatGPT 大模型存储系统容错大模型训练系统

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基于GPU直访存储架构的推荐模型预估系统

计算机研究与发展 2024年第3期61卷 589-599页

作者：谢旻晖陆游游冯杨洋舒继武清华大学计算机科学与技术系北京100084

新型深度学习推荐模型已广泛应用至现代推荐系统,其独有的特征——包含万亿嵌入参数的嵌入层,带来的大量不规则稀疏访问已成为模型预估的性能瓶颈.然而,现有的推荐模型预估系统依赖CPU对内存、外存等存储资源上的嵌入参数进行访问,存在... 详细信息

新型深度学习推荐模型已广泛应用至现代推荐系统,其独有的特征——包含万亿嵌入参数的嵌入层,带来的大量不规则稀疏访问已成为模型预估的性能瓶颈.然而,现有的推荐模型预估系统依赖CPU对内存、外存等存储资源上的嵌入参数进行访问,存在着CPU-GPU通信开销大和额外的内存拷贝2个问题,这增加了嵌入层的访存延迟,进而损害模型预估的性能.提出了一种基于GPU直访存储架构的推荐模型预估系统GDRec.GDRec的核心思想是在嵌入参数的访问路径上移除CPU参与,由GPU通过零拷贝的方式高效直访内外存资源.对于内存直访,GDRec利用统一计算设备架构(compute unified device architecture,CUDA)提供的统一虚拟地址特性,实现GPU核心函数(kernel)对主机内存的细粒度访问,并引入访问合并与访问对齐2个机制充分优化访存性能;对于外存直访,GDRec实现了一个轻量的固态硬盘(solid state disk,SSD)驱动程序,允许GPU从SSD中直接读取数据至显存,避免内存上的额外拷贝,GDRec还利用GPU的并行性缩短提交I/O请求的时间.在3个点击率预估数据集上的实验表明,GDRec在性能上优于高度优化后的基于CPU访存架构的系统NVIDIA HugeCTR,可以提升多达1.9倍的吞吐量.

关键词： GPU直访存储参数存储推荐系统预估系统存储系统

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云原生数据库综述

软件学报 2024年第2期35卷 899-926页

作者：董昊文张超李国良冯建华清华大学计算机科学与技术系北京100084

云基础设施的虚拟化、高可用、可弹性调度等特点,为云数据库提供了开箱即用、可靠可用、按需计费等优势.云数据库按照架构可以划分为云托管数据库(cloud-hosted database)以及云原生数据库(cloud-native database).云托管数据库将数据... 详细信息

云基础设施的虚拟化、高可用、可弹性调度等特点,为云数据库提供了开箱即用、可靠可用、按需计费等优势.云数据库按照架构可以划分为云托管数据库(cloud-hosted database)以及云原生数据库(cloud-native database).云托管数据库将数据库系统直接部署到云上虚拟机环境中,具备低成本、易运维、高可靠的优势.在此基础上,云原生数据库充分利用云基础设施弹性伸缩的特点,采用计算存储分离的架构,实现了计算资源和存储资源的独立伸缩,进一步提升数据库性价比.然而计算存储分离的架构为数据库系统设计带来了新的挑战.深入分析云原生数据库系统的架构和技术.首先将云原生OLTP和云原生OLAP的数据库架构按照资源分离模式的差异分别进行归类分析,并对比各类架构的优势与局限.其次,基于计算存储分离的架构,按照各个功能模块深入探讨云原生数据库的关键技术:主要包括云原生OLTP关键技术(数据组织、副本一致性、主备同步、故障恢复以及混合负载处理)和云原生OLAP关键技术(存储管理、查询处理、无服务器感知计算、数据保护以及机器学习优化).最后,总结现有云原生数据库的技术挑战并展望未来研究方向.

关键词：云原生数据库计算存储分离数据库即服务

基于XGBoost-DNN的工业控制系统入侵检测架构

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哈尔滨工程大学学报 2024年

作者：张子迎陈玉炜王宇华嘉应学院计算机学院哈尔滨工程大学计算机与科学技术学院

针对工业控制系统安全防护中存在的数据不平衡问题以及提高检测的实时性与安全性，本文依据工业控制系统的系统架构特点，提出XGBoost-DNN双层入侵检测架构。在下层，将设计的权重焦点损失函数引入XGBoost中进行二分类入侵检测，以增强... 详细信息

针对工业控制系统安全防护中存在的数据不平衡问题以及提高检测的实时性与安全性，本文依据工业控制系统的系统架构特点，提出XGBoost-DNN双层入侵检测架构。在下层，将设计的权重焦点损失函数引入XGBoost中进行二分类入侵检测，以增强算法在不平衡数据下的鲁棒性；在上层，使用XGBoost算法进行特征选择，然后用DNN对结果进行多分类入侵检测。将该架构应用在电网稳定性和电网攻击模拟数据集上，实验结果表明双层检测架构具有更强的鲁棒性，并且DNN模型的训练时间缩短了18.3%。

关键词：工业控制系统入侵检测 XGBoost DNN 分层架构权重焦点损失函数实时性数据不平衡

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面向三维多目标追踪的运动补偿优化方法

电子学报 2024年第2期52卷 528-539页

作者：王顺洪张昱沈江楠吉建民张燕咏中国科学技术大学计算机科学与技术学院安徽合肥230027

三维多目标追踪是自动驾驶系统中的关键模块之一,其结果的优劣主要取决于追踪模块中数据关联过程的准确度.现有的追踪方法大多从外观特征或运动特征出发计算两帧之间物体的相似度,而基于运动特征的方法通常根据当前帧和历史帧三维包围... 详细信息

三维多目标追踪是自动驾驶系统中的关键模块之一,其结果的优劣主要取决于追踪模块中数据关联过程的准确度.现有的追踪方法大多从外观特征或运动特征出发计算两帧之间物体的相似度,而基于运动特征的方法通常根据当前帧和历史帧三维包围框之间的交并比(Intersection over Union,IoU)进行关联,然而这种方式在观测点物体自身运动时存在严重缺陷.在观测点物体自身进行运动时,观测到的两帧数据将处于不同的局部坐标系,导致无法使用运动模型准确预测已追踪物体在下一帧中的位置.本文针对上述问题,通过引入观测点自身的惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)或全球定位系统(Global Positioning System,GPS)数据,在一帧数据到达之后计算当前帧局部坐标系与上一帧局部坐标系之间的旋转和平移关系,并对已追踪的物体状态按得到的坐标变换关系进行运动补偿,使其抵消因观测点自身运动造成的偏移量.这种运动补偿增强了追踪模块的数据关联环节,提高追踪时三维包围框的关联成功率,降低误关联数量,改善三维多目标追踪的精度.在相关追踪框架及KITTI数据集上的原型验证表明,所提的运动补偿优化方法实现了1%左右的精度提升.

关键词：自动驾驶运动补偿三维多目标追踪运动特征全球定位系统惯性测量单元

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一种基于窗口机制的口语理解异构图网络

软件学报 2024年第4期35卷 1885-1898页

作者：张启辰王帅李静梅哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院黑龙江哈尔滨150001

口语理解(spoken language understanding,SLU)是面向任务的对话系统的核心组成部分,旨在提取用户查询的语义框架.在对话系统中,口语理解组件(SLU)负责识别用户的请求,并创建总结用户需求的语义框架,SLU通常包括两个子任务:意图检测(int... 详细信息

口语理解(spoken language understanding,SLU)是面向任务的对话系统的核心组成部分,旨在提取用户查询的语义框架.在对话系统中,口语理解组件(SLU)负责识别用户的请求,并创建总结用户需求的语义框架,SLU通常包括两个子任务:意图检测(intent detection,ID)和槽位填充(slot filling,SF).意图检测是一个语义话语分类问题,在句子层面分析话语的语义;槽位填充是一个序列标注任务,在词级层面分析话语的语义.由于意图和槽之间的密切相关性,主流的工作采用联合模型来利用跨任务的共享知识.但是ID和SF是两个具有强相关性的不同任务,它们分别表征了话语的句级语义信息和词级信息,这意味着两个任务的信息是异构的,同时具有不同的粒度.提出一种用于联合意图检测和槽位填充的异构交互结构,采用自注意力和图注意力网络的联合形式充分地捕捉两个相关任务中异构信息的句级语义信息和词级信息之间的关系.不同于普通的同构结构,所提模型是一个包含不同类型节点和连接的异构图架构,因为异构图涉及更全面的信息和丰富的语义,同时可以更好地交互表征不同粒度节点之间的信息.此外,为了更好地适应槽标签的局部连续性,利用窗口机制来准确地表示词级嵌入表示.同时结合预训练模型(BERT),分析所提出模型应用预训练模型的效果.所提模型在两个公共数据集上的实验结果表明,所提模型在意图检测任务上准确率分别达到了97.98%和99.11%,在槽位填充任务上F1分数分别达到96.10%和96.11%,均优于目前主流的方法.

关键词：对话系统口语理解异构图窗口机制意图检测槽位填充