Institute of Information Science
電腦系統實驗室
Principal Investigators:
吳真貞 Jan-Jan Wu(Chair) 王建民Chien-Min Wang 李丕榮 Pei-Zong Lee
陳昇瑋 Sheng-Wei Chen 張原豪 Yuan-Hao Chang

[研究群介紹]
電腦系統實驗室成立於2009年。由李丕榮研究員、吳真貞研究員、王建民副研 究員、陳昇瑋副研究員、張原豪助研究員及其研究群共同組成,實驗室主要研 究領域跨足多核心系統、虛擬化技術、雲端運算相關系統支援及其應用、嵌入 式系統之儲存系統開發設計。以下為實驗室研究內容簡介:

(一)虛擬化之系統支援
動態二元碼轉譯 (Dynamic Binary Translation)為跨平台虛擬化之核心技術,然 其最大瓶頸為翻譯出之二元碼效能低落, 如何提升動態二元碼轉譯器 翻譯出之二 元碼品質及效能 為一極具挑戰性之重要研究議題。本計畫發展一個高效能且可 跨多種不同計算機指令集架構 (Instruction Set Architecture)之動態二元碼翻 釋及優化系統,稱為HQEMU(hybrid QEMU)。HQEMU 建構在現有虛擬化平 台 QEMU上,且整合了 LLVM編譯器之強大優化功能。此外,我們設計新的動 態優化技術 (optimization)和標註技術(annotation),並將其整合入 HQEMU, 以善用多核心硬體優勢,進而提升虛擬化平台在多核心硬體架構運作之效能。 此研究為全球第一個將 QEMU 與 LLVM成功結合並達到優越效能之案例。我們 的下一個目標是將此動態二元碼轉譯技術延伸至跨平台全系統虛擬化,實現可跨 多種不同計算機指令集架構,以及不同作業系統之虛擬化環境。
(二)雲端遊戲系統設計與實作
排版插圖 在雲端遊戲系統中,雲端伺服器負責遊戲畫面的繪製與編碼,並透過網際網路 將結果串流至客戶端。客戶端程式則負責將來自遊戲搖捍、鍵盤、滑鼠的使用 者輸入傳至雲端伺服器。藉由雲端遊戲系統,使用者可以:(1) 避免為了玩最新 遊戲而必須不斷更新電腦設備,(2) 可透過客戶端程式在不同平台(如 PC、筆 記型電腦、平板電腦、及智慧型手機)遊玩同一款遊戲,(3) 將省下的軟硬體 成本拿去玩更多的遊戲。另一方面,遊戲開發者將能夠:(1) 讓遊戲支援更多平 台,(2) 避免軟硬體相容性問題,(3) 增加淨利。基於上述種種優點,雲端遊戲 系統已成功吸引了許多使用者、遊戲開發者、及服務提供者的關注。 我們開發了一套開放源碼的雲端遊戲系統 - GamingAnywhere。雲端遊戲開 發者、雲端服務提供者、和系統研究者可利用它建構出完整的雲端遊戲測試平 台。GamingAnywhere 是第一套完全開放的雲端遊戲測試平台。此外,我們 還設計了一系列實驗來測量 GamingAnywhere 的效能及運行成本,也藉由 實驗推導出最佳的系統設置參數,可做為使用者自行在其伺服器上安裝並運 行 GamingAnywhere 的依據。我們期望雲端遊戲開發者、 雲端服務提供者、系統研究者、以及其他個人用戶能基於 GamingAnywhere 建立符合各自不同需求和目的的雲端遊 戲測試平台。我們相信 GamingAnywhere 能啟發更多關於 雲端遊戲,甚至其他多媒體串流相關應用的創新研究。

(三)串流資料儲存與處理之雲端平台技術
隨著雲端運算的蓬勃發展,大量的串流資料應用被移植到 雲端運算平台上,同時大量的串流資料也被上傳並儲存在雲 端。為了快速有效率地儲存和處理大量的串流資料,分散式 檔案系統和高效能平行處理框架都扮演著非常關鍵的角色。 我們研究著重於探討支援巨量串流資料儲存與處理之雲端平 台技術。對於串流資料的應用,例如及時多媒體資料的存取 或感測網路資料的處理,資料的存取通常必須滿足特定服務 品質的要求,否則可能會導致極為嚴重的後果。因此如何保 障儲存空間的服務品質,以滿足使用者或應用程式的要求, 是極為重要的關鍵技術。在資料的處理方面,MapReduce 透過利用分散式資源和處理大規模資料的能力,已經被廣 泛採用在大量資料裡面的文字處理。然而這樣的承諾同時 伴隨著MapReduce在寫串流資料應用的困難。這是因為 MapReduce被限制在某一類應用中,每一個輸入鍵-值對是 相互獨立的。我們計劃藉由允許某個集合內,其輸入鍵-值 對們是具有相依性的,以拓展MapReduce的普遍適用性。 基於這個應用模型,我們還計劃開發相應的方法和軟體工 具,以便有效率地處理串流資料的應用。
(四)嵌入式系統上之儲存系統開發設計
嵌入式系統大多使用快閃記憶體為其資料儲存媒體。近年 來,成本考量已成為快閃記憶體發展的重要趨動力,因此高 密度的多階與 3D 快閃記憶體也應運而生。然而在製造成本 下降的同時,也為快閃記憶體的效能與可靠度帶來嚴重的挑 戰。因此,此團隊主要著重於如何利用新的 heal-leveling 技術來決解 3D 快閃記憶體的壽命,並且利用軟體的方法來 決解 3D 快閃記體硬體的資料寫入干擾問題。此外,利用次 世代的可位元定址非揮發性記憶體 (如 PCM、ReRAM、STT RAM) 來改善嵌入式儲存系統效能低落問題也是此團隊的研 究重點之一,我們提出 “one memory” 的觀念來重新設 計嵌入式系統的記憶體與儲存系統架構,利用這樣的架構, 我們著手於重新設計新的記憶體管理技術及檔案儲存系統設 計;同時,研究如何利用可位元定址非揮發性記憶體的特性 來提升儲存系統的空間利用率與資料存取效能。
排版插圖 嵌入式儲存系統架構利用虛擬區塊重對應機制以提升3D快閃記憶體資料可靠性之系統架構

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