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 游本中 Pen-Chung Yew

[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與作業系統開發設計。以下為實驗 室研究內容簡介:
(一) 系統設計及針對多核心系統之支援
此團隊研究著重於提供各種新系統功能結構及系統支援, 設計此類多核心系統能夠在硬體設計前先進行大量的系統 模擬以縮短關鍵產品上市時間。 加速模擬器將促進縮短設計時間 及提出更好的系統設計產品。主 要的方法是藉著多核心系統中固 有的執行緒平行度,在現有的多 核心系統平台模擬新的多核心設 計,為了加速此一模擬,許多現 存單核心模擬加速技術已經被延 伸至多核心模擬上,其中包含了 利用程式執行階段(phase)中相 似的程式行為,將快速的功能模 擬器和準確的時序精準模擬器加 以整合來縮短模擬時間並取得精 準的模擬結果。
排版插圖(二) 虛擬化之系統支援
虛擬化技術在多核心運算及雲端運算皆扮演重要角色。其 目的是使應用程式可在各種不同平台執行。此團隊著重於 開發虛擬化之核心技術,特別是針對多核心系統的動態編 譯技術如二進制碼轉譯及二進制最佳化。其中之一主要目 標是建構一個統一的動態編譯架構以實現將二進制程式碼 在多個不同的指令集架構間轉換。由於此虛擬化技術是藉 由二進制碼之轉譯達成而非使用高階語言虛擬機器如Java 或C#,因此具有更高的透明度及可攜性。目前此團隊已完 成一個多執行緒之平行化動態編譯器,可大幅提昇轉譯碼 之執行效率。
(三) 大型萬人網路虛擬環境雲端平台設計與建置
大型萬人網路虛擬環境是新世代高速網路普及化的娛樂產 物,然而現有伺服器的配置方法卻無法彈性地滿足急遽成 長的使用者人數。遊戲公司為了提供玩家良好的遊戲品 質,需要支出超出40%的收入來購買較高等級以及超出 需求的伺服器,而空閒的伺服器資源亦不能得到妥善的利 用。奠基於大型多人線上遊戲的資料分析上,我們將利用 不同時間範圍內,觀察使用者人數 的變化,驗證在不同的區塊分布策 略下, 負載平衡與能源節約的成 效。我們預期透過模型的建立,可 以找出一個最佳的區塊分布策略來 解決研究問題。同時,藉由虛擬機 器和區塊的遷移,我們讓網路虛擬 環境伺服器具有可擴充性與一般 性。我們將以本計劃所實作的雲端 平台來展示虛擬化技術如何改善現 有的網路虛擬環境平台,並期待看 到學術單位、遊戲業界或個人遊戲 開發者都能基於此平台,並延伸出 更多的研究課題,開發更多有意思 的應用。
(四) 雲端運算之分散式檔案系統的關鍵進階技術研究
雲端運算之分散式檔案系統整合了大量的儲存裝置,這除 了提供驚人的儲存空間,也帶來許多嚴厲的挑戰。首先大 量的儲存裝置導致出現錯誤的機會遠高於小型的分散式檔 案系統,因此高度容錯能力是必要的。其次在需要大量的 儲存空間的應用中,有極大部分是關於資料串流方面的應 用,例如及時多媒體資料的存取或感測網路資料的處理。 對於這類的應用而言,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,也是極為重要的關鍵技術。最後由於資料規模越來越 龐大,雲端運算平台的實體儲存資源也越來越多,消耗的能源也越來越 驚人。根據研究顯示,資料中心內儲存裝置所消耗的能源比率已超過 28%。為了節能環保及降低成本,都值得我們研究降低儲存裝置之能源 消耗的關鍵技術。
排版插圖(五) 嵌入式系統上之儲存系統開發
設計與作業系統開發設計 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,但在製造成本下降 的同時, 也為快閃記憶體的效 能與可靠度帶來嚴重的挑戰。同 時,現存檔案系統多為傳統硬碟而設計,並未針對快閃記憶體之特性而 設計;另外嵌入式系統多為使用電池供電之系統,其隨時可能斷電之特 性並未納入傳統的檔案系統設計之中。這些議題加重嵌入式系統中資料 的存取效能與可靠性問題。此團隊的研究主要是利用修改檔案系統之設 計與儲存裝置內之韌體來提升嵌入式系統內之資料存取效能與資料可靠 度。例如,為傳統檔案系統設計新的快取機制來提升資料存取效能,並 保證資料能夠在系統斷電之後仍不致於流失;我們同時針對快閃記憶體 設計相關的檔案系統,以充份應用快閃記憶體之性能。目前我們從事整 合資料壓縮與資料重複刪除技術來降低嵌入式儲存系統之能耗,以達成 「綠色儲存」的設計目標及概念。
(六) 嵌入式系統上之作業系統開發設計
嵌入式系統通常是以電池作為其供電系統。當作業系統和行動應用程式 變得越來越複雜而有更多的硬體需求時,嵌入式系統在能耗與系統效能 提升上也就面臨嚴峻挑戰。此外,電池供電系統通常會在電量不足時為 了節省能源而強迫關機;然而這麼複雜的作業系統要重新開機,不但費 時且對能源也造成浪費。我們目前的研究包括快速開機的系統休眠技術 和高效能的硬體管理策略。例如,我們研究的新技術可以讓作業系統充 份利用儲存裝置的閒置時間來加快系統載入及重啟的速度;另外,我們 研究的新技術可根據應用程式的工作負載量來主動調整中央處理器的頻 率和裝置的能源模式,進而達到節能的目的。現階段我們正在研究行動 嵌入式系統之快速休眠、重新啟動及程式移轉的新技術,並且研究執行 時期硬體間狀況相依關係,進而設計最佳化之系統省電管理排程。

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