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面向SIMD指令集的SM4算法比特切片优化

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计算机研究与发展 2024年第8期61卷 2097-2109页

作者：王闯丁滟黄辰林宋连涛国防科技大学计算机学院长沙410073

SM4算法是中国自主设计的商用分组密码算法,其加解密计算性能成为影响信息系统数据机密性保障的重要因素之一.现有SM4算法优化主要面向硬件设计和软件查表等方向展开研究,分别存在依赖特定硬件环境、效率低下且易遭受侧信道攻击等问题.... 详细信息

SM4算法是中国自主设计的商用分组密码算法,其加解密计算性能成为影响信息系统数据机密性保障的重要因素之一.现有SM4算法优化主要面向硬件设计和软件查表等方向展开研究,分别存在依赖特定硬件环境、效率低下且易遭受侧信道攻击等问题.比特切片技术通过对输入数据重组实现了并行化高效分组密码处理,可以抵御针对缓存的侧信道攻击.然而现有切片分组密码研究对硬件平台相关性强、处理器架构支持单一,并且并行化处理流水启动较慢,面向小规模数据的加解密操作难以充分发挥单指令多数据(single instruction multiple data,SIMD)等先进指令集的优势.针对上述问题,首先提出了一种跨平台的通用切片分组密码算法模型,支持面向不同的处理器指令字长提供一致化的通用数据切片方法.在此基础上,提出了一种面向SIMD指令集的细粒度切片并行处理SM4优化算法,通过细粒度明文切片重组与线性处理优化有效缩短算法启动时间.实验结果表明,相比通用SM4算法,优化的SM4比特切片算法加密速率最高可达438.0 MBps,加密每字节所需的时钟周期最快高达7.0 CPB(cycle/B),加密性能平均提升80.4%~430.3%.

关键词： SM4算法性能优化比特切片侧信道攻击 SIMD指令集

多GPU系统非一致存储访问优化:研究进展与展望

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电子学报 2024年第5期52卷 1783-1800页

作者：李晨刘畅葛一漩郭阳国防科技大学计算机学院湖南长沙410073

随着晶体管缩小速度的减缓,单GPU(Graphics Processing Units)的性能提升已经变得越来越具有挑战性,因此,多GPU系统成为了提高GPU系统性能的主要手段.然而,由于片外物理设计的制约,多GPU系统中处理器间的带宽不均衡导致了非一致存储访问... 详细信息

随着晶体管缩小速度的减缓,单GPU(Graphics Processing Units)的性能提升已经变得越来越具有挑战性,因此,多GPU系统成为了提高GPU系统性能的主要手段.然而,由于片外物理设计的制约,多GPU系统中处理器间的带宽不均衡导致了非一致存储访问(Non-Uniform Memory Access,NUMA)问题,严重影响多GPU系统的性能.为了减少非一致存储访问所导致的性能损失,本文首先分析了非一致存储访问出现的原因,并对现有的非一致存储访问解决方案进行了对比.针对不同维度的非一致存储访问,本文从减少远程访问流量和提升远程访问性能两个方向出发,对非一致存储访问的优化方案进行了总结.最后,结合这些方案的优缺点,提出了未来多GPU系统非一致存储访问优化的发展方向.

关键词：多GPU系统非一致存储访问 GPU访存

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软件运行时配置研究综述

软件学报 2024年第1期35卷 63-86页

作者：周书林李姗姗董威王戟廖湘科国防科技大学计算机学院湖南长沙410073

运行时配置为用户使用软件提供了灵活性和可定制性,但其巨大的规模和复杂的机制也带来了巨大的挑战.大量学者和研究机构针对软件运行时配置展开了研究,以提升软件系统在复杂外部环境中的可用性和适应性.建立运行时配置研究分析框架,从... 详细信息

运行时配置为用户使用软件提供了灵活性和可定制性,但其巨大的规模和复杂的机制也带来了巨大的挑战.大量学者和研究机构针对软件运行时配置展开了研究,以提升软件系统在复杂外部环境中的可用性和适应性.建立运行时配置研究分析框架,从配置分析与理解、配置缺陷检测与故障诊断、配置应用3个阶段对现有研究工作进行归类和分析,总结归纳现有研究的不足和面临的挑战,并对未来的研究趋势进行展望,对下一步研究具有一定的指导意义.

关键词：运行时配置配置理解配置缺陷检测配置故障诊断配置应用

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时间敏感网络延时组成的精确分析与测量方法

国防科技大学学报 2024年第5期46卷 189-199页

作者：付文文全巍姜旭艳孙寅涵孙志刚国防科技大学计算机学院湖南长沙410073

在依据时间敏感网络(time-sensitive networking, TSN)标准估算相邻节点之间的最大传输延迟Δt时,将不可避免地引入额外的无效等待时间,这种等待时间被称为“泡沫延时”。分析了泡沫延时对增加端到端延时和降低规划成功率的负面影响,并... 详细信息

在依据时间敏感网络(time-sensitive networking, TSN)标准估算相邻节点之间的最大传输延迟Δt时,将不可避免地引入额外的无效等待时间,这种等待时间被称为“泡沫延时”。分析了泡沫延时对增加端到端延时和降低规划成功率的负面影响,并通过细粒度地分析Δt的延时组成,首次提出Δt的精确测量方法。基于精确的Δt,消除了TSN规划时产生的泡沫延时。基于两款定制的TSN交换设备搭建了真实的测试环境,测试结果显示,泡沫延时至少占端到端延时的26.4%,并且消除泡沫延时后规划成功率提升了8.9%~39.1%。

关键词：时间敏感网络端到端延时规划成功率延时参数测量泡沫延时

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基于强化学习与种群博弈的近距空战决策

航空学报 2024年第12期45卷 169-184页

作者：王宝来高显忠谢涛侯中喜国防科技大学计算机学院长沙410073 国防科技大学空天科学学院长沙410073

随着人工智能与无人机(UAV)技术的发展,近距空战智能决策得到了世界各国的广泛关注。针对传统强化学习在解决近距空战智能决策问题时存在过拟合与策略循环等问题,提出了一种基于种群博弈的空战智能决策模型训练范式。通过构建由多个无... 详细信息

随着人工智能与无人机(UAV)技术的发展,近距空战智能决策得到了世界各国的广泛关注。针对传统强化学习在解决近距空战智能决策问题时存在过拟合与策略循环等问题,提出了一种基于种群博弈的空战智能决策模型训练范式。通过构建由多个无人机智能体组成的种群,并为每个智能体赋予不同奖励权重系数,实现了无人机智能体多样化的风险偏好。种群中不同风险偏好的智能体模型相互进行对抗训练,能够有效避免过拟合和策略循环问题。在训练过程中,每个无人机智能体根据与不同对手策略的对抗结果自适应地优化奖励权重系数。在数值仿真实验中,种群博弈训练中的智能体5与智能体3分别以88%和85%的胜率击败了专家系统对抗训练和自博弈训练得到的智能决策模型,算法性能得到有效验证。此外,通过进一步实验表明了种群博弈训练范式中权重系数动态调整的必要性,并在异构机型上验证了所提训练范式的通用性。

关键词：近距空战智能决策强化学习种群博弈 SAC算法

面向存算联调的跨云纠删码自适应数据访问方法

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计算机研究与发展 2024年第3期61卷 571-588页

作者：张凯鑫王意洁包涵阚浚晖并行与分布计算全国重点实验室(国防科技大学) 长沙410073 国防科技大学计算机学院长沙410073

日益旺盛的跨云存算联调需求对跨云数据访问速度提出较高要求.因此,跨云数据访问速度较高的基于数据冗余技术(纠删码和多副本)的跨云数据访问方法逐渐受到关注.其中,基于纠删码的跨云数据访问方法因其存储开销较低、容错性较高而成为当... 详细信息

日益旺盛的跨云存算联调需求对跨云数据访问速度提出较高要求.因此,跨云数据访问速度较高的基于数据冗余技术(纠删码和多副本)的跨云数据访问方法逐渐受到关注.其中,基于纠删码的跨云数据访问方法因其存储开销较低、容错性较高而成为当前研究热点.为通过缩短编码块传输用时以提高数据访问速度,现有基于纠删码的跨云数据访问方法尝试引入缓存技术并优化编码数据访问方案.然而,由于现有方法的缓存管理粒度较粗且未协同优化缓存管理与编码数据访问方案,导致其存在缓存命中量低、缓存命中增效低、低传输速度编码块访问量大等问题,使得其编码块传输用时仍较长.为此,首先提出了一种基于星际文件系统(interplanetary file system,IPFS)的跨云存储系统框架(IPFS-based cross-cloud storage system framework,IBCS),可基于IPFS数据分片管理机制实现细粒度的缓存管理,从而可提高缓存命中量.然后,提出一种面向存算联调的跨云纠删码自适应数据访问方法(adaptive erasure-coded data access method for cross-cloud collaborative scheduling of storage and computation,AECAM).AECAM以编码块(含缓存编码块)与数据访问节点的分布为依据评估数据访问过程中各编码块的传输速度,并据此制定可避免访问低传输速度编码块的编码数据访问方案.此外,AECAM可识别出其制定编码数据访问方案时易选中且实际传输速度较低的编码块,并将其缓存在数据访问节点附近,从而可同时提高缓存命中量和命中增效.最后,基于IBCS和AECAM构建了面向跨云存算联调的存储系统(cross-cloud storage system for collaborative scheduling of storage and computation,C2S2).跨云环境下的实验表明,相较于现有引入缓存的基于纠删码的存储系统,C2S2可以将数据访问速度提高75.22%~81.29%.

关键词：跨云存算联调纠删码数据访问技术星际文件系统缓存

R13/R26矩方法的介观尺度壁面边界条件

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国防科技大学学报 2024年第3期46卷 98-104页

作者：杨伟奇杨惠国防科技大学空天科学学院湖南长沙410073 国防科技大学计算机学院湖南长沙410073

宏观尺度NSF(Navier-Stokes-Fourier)、R13/R26矩方程边界条件在中、大克努森数Kn来流条件下计算精度大幅度降低,也极易发散。针对这一难题,提出R13/R26矩方程的介观尺度边界条件,在靠近壁面处重构速度分布函数,并输入介观尺度Boltzman... 详细信息

宏观尺度NSF(Navier-Stokes-Fourier)、R13/R26矩方程边界条件在中、大克努森数Kn来流条件下计算精度大幅度降低,也极易发散。针对这一难题,提出R13/R26矩方程的介观尺度边界条件,在靠近壁面处重构速度分布函数,并输入介观尺度Boltzmann模型方程;基于离散速度法求解宏观参数,所得到的宏观参数作为R13/R26矩方程的壁面边界条件。仿真结果表明:基于介观尺度边界条件的R13/R26矩方法相较原边界条件计算精度最大提高59.84%,同时,所提出的边界条件将矩方法对Kn的适用范围拓展到1.0。

关键词：稀薄气体矩方法非平衡流边界条件

体硅CMOS工艺下一种带隙基准的单粒子辐射特性分析

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国防科技大学学报 2024年第4期46卷 169-174页

作者：文溢陈建军梁斌池雅庆邢海源姚啸虎国防科技大学计算机学院湖南长沙410073

为了分析带隙基准(bandgap reference,BGR)在太空环境等极端条件下的单粒子辐射特性,分别在65 nm和28 nm体硅CMOS工艺下设计实现了一款BGR试验芯片,并采用脉冲激光单粒子模拟试验研究了其单粒子辐射特性。试验结果发现,当脉冲激光能量... 详细信息

为了分析带隙基准(bandgap reference,BGR)在太空环境等极端条件下的单粒子辐射特性,分别在65 nm和28 nm体硅CMOS工艺下设计实现了一款BGR试验芯片,并采用脉冲激光单粒子模拟试验研究了其单粒子辐射特性。试验结果发现,当脉冲激光能量足够高时,BGR的输出电压显著增加,且退火后电压不能恢复,表明BGR发生了单粒子硬损伤(single-event hard damage,SHD),进一步的试验研究证明BGR中的三极管是诱发SHD的敏感器件。该研究为在体硅CMOS工艺下对BGR进行抗SHD加固设计提供了重要理论参考。

关键词：带隙基准单粒子硬损伤脉冲激光试验体硅CMOS工艺

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存储体编译和布局协同的片上缓存设计方法

国防科技大学学报 2024年第1期46卷 198-203页

作者：刘必慰熊琪杨茗宋雨露国防科技大学计算机学院湖南长沙410073 国防科技大学理学院湖南长沙410073 国防科技大学军政基础教育学院湖南长沙410073

为了提高片上缓存的速度、降低面积和功耗,提出了一种存储体编译和布局协同的片上缓存设计方法。该方法基于存储体在芯片上的不同空间位置预估该存储体的时序余量,分别采用拆分/合并、尺寸调整、阈值替换和长宽比变形等多种配置参数穷... 详细信息

为了提高片上缓存的速度、降低面积和功耗,提出了一种存储体编译和布局协同的片上缓存设计方法。该方法基于存储体在芯片上的不同空间位置预估该存储体的时序余量,分别采用拆分/合并、尺寸调整、阈值替换和长宽比变形等多种配置参数穷举组合进行存储体编译,根据时序余量选择最优的静态随机存取存储器存储体编译配置。将该方法与现有的物理设计步骤集成为一个完整的设计流程。实验结果表明,该方法能够降低约9.9%的功耗,同时缩短7.5%的关键路径延时。

关键词：片上缓存静态随机存取存储器协同设计低功耗