层次存储的访问分析与优化方法研究

存储墙问题一直是制约计算机系统性能的重要瓶颈。层次存储的访问即数据访问，是连接存储墙问题中处理器和存储器的"桥梁"。因此，我们认为数据访问特征的分析理论与方法是解决存储墙问题的基础。我们归纳了数据访问的六种重要性质：依赖性、重用性、相似性、亲和性、一致性和生存性。这六种性质从时间与空间、地址与值等不同角度描述了数据访问的不同侧面，对程序的正确性和性能有着重要影响。研究这些性质的分析理论与优化方法对于解决和缓解存储墙问题，探索新的层次存储体系结构和优化技术有着非常重要的研究意义。因此，本课题计划基于课题组在计算机体系结构、编译技术等方面的研究成果和技术积累，研究数据访问特性的分析理论与优化技术，并运用软硬件验证平台对这些技术进行验证，为解决存储墙问题奠定理论基础和探索新的技术途径。

本项目顺利完成了预先制定的研究计划，同时针对近来计算机使能技术领域的最新重要进展，增加了利用纳米器件新特性解决访存墙问题的方法与技术研究，增加了量子算法和光量子计算技术研究。取得的主要成果包括：1、提出了通过研究数据访问特性解决访存墙问题的新思路。围绕数据访问的重用性、相似性和亲和性等，提出了一系列定量分析方法与优化技术，应用在复杂网络并行计算等研究中，有效缓解了访存墙问题。以项目成果作为重要科学发现，获得2012年湖南省自然科学一等奖。2、针对纳米存储领域忆阻器的最新研究进展，提出了基于忆阻器的运算存储融合结构（国际上关于忆阻器的其他研究仅集中于制备新的存储器件），探索了在这种结构上完成图像处理、数据库、存储阵列自容错等应用的关键技术，为今后借助忆阻器技术进一步突破访存墙问题积累了技术基础。相关成果申请国家发明专利2项，论文发表在《IEEE Transactions on Circuits and Systems》、《IEEE Transactions on Nanotechnology》、《Science China: Information Science》等国内外著名期刊和会议上。3、开展了量子算法和光量子计算实验技术的相关研究。提出了一系列基于量子漫步的图同构算法，复杂度优于已知最好算法；搭建了光量子计算技术的基本实验环境；为今后在这些前瞻交叉领域做出贡献培养了一支高水平人才队伍，积累了重要的理论和技术基础。相关成果发表在《Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical》、《Chinese Physics B》等国内外著名期刊上。三年共发表学术论文25篇，其中国际期刊13篇、国际会议6篇、SCI检索13篇、EI检索20篇。已培养博士2名、硕士5名，正在培养博士2名、硕士2名。1篇获2014年全军优秀硕士论文。