基于GASpy的材料模拟计算框架

随着信息学和数据科学工具的发展,各种计算机科学软件在材料模拟计算领域的应用不断增加.为了加速催化剂的筛选,开展了基于信息工具如何改善和增强材料筛选的研究,介绍一种基于第一性原理的高通量材料集成计算框架GASpy(Generalized Adsorption Simu?lator for Python).该框架支持计算任务的自动化流程管理,可以借助Fireworks调用DFT(Den?sity Functional Theory)计算,并可以将运算结果以及中间步骤保存至MongoDB数据库.平台支持与不同高性能计算集群的动态绑定,支持大批量计算作业的生成、提交.平台同时支持数据的提取、自动存储.利用GASpy在天河一号上对材料网站上获取的晶体结构进行了实验测试,进行晶体结构优化并计算吸附能,结果表明结合各种信息学工具可以更加灵活高效地实现大规模自动化的DFT材料模拟计算,在模拟电催化领域有较好的应用前景.     

基于Globus网格平台的电子工程预算软件作业调度实现

作业调度是能否充分发挥网格性能的关键技术。基于SaaS模式的电子工程预算软件(SaasBudget)为用户提供一个动态、实时、高可用性的预算软件平台。SaasBudget基于Globus Toolkit4网格平台实现,利用网格提供的强大计算性能和分布式处理能力进行大工程的项目预算计算。通过对Globus作业调度机制的研究,设计了SaasBudget系统的作业调度系统。实验结果表明,该作业调度系统能够综合考虑任务与计算节点的特性,并能根据任务当前运行情况实时进行调整,有效改善了作业调度效率,大大提高了网格资源的利用率。     

基于数据依赖和触发器的简单子任务调度算法

针对在数据库管理系统环境下实现的分布式子任务计算平台,提出了一种基于数据依赖、采用触发器实现的简单分布式子任务调度算法,可有效保证分布式子任务调度的准确性和一定程度的及时性.首先介绍了采用人工划分的基于执行阶段的子任务调度思想,并结合数据依赖调度算法,证明了两者之间的相似性和密切联系,然后进一步提出基于执行阶段的分布式子任务调度算法,为在数据库环境下实现的分布式子任务计算提供了一种简单、快捷、正确的调度算法.     

基于有色Petri网的多处理器片上系统调度方法（英文）

为了生成一个适用于多处理器片上系统的硬件调度器,提出一种新型的基于有色Petri网(CPN)的动态调度方法.该调度方法使用CPN对包括写后读、写后写、读后写数据相关以及结构相关在内的任务间相关性进行了建模,这些相关会在模型运行的过程中被自动检测出来.根据相关性,任务会被动态地调度并分配到不同的计算单元上乱序执行,从而达到提高任务级并行度的目的.该调度方法分别在软件仿真平台和基于FPGA的硬件平台上得以实现.状态空间分析和对比实验的结果证明了调度方法的正确性和有效性.     

多任务热连轧过程控制系统应用平台

针对热连轧生产线特点自行设计了符合现场实际要求的基于Windows的热连轧过程控制系统应用平台.平台采用多进程结构，进程内部采用一任务一线程的新型模式，大大提高了系统的稳定性，降低了各功能模块间的耦合性.平台的功能包括进程管理、网络通信、数据采集和数据管理、过程跟踪.数据通信、数据库操作和过程数据记录、带钢跟踪和线程调度分别由以上几个功能负责.平台采用高速的事件信号触发方式来调度模型计算.该平台已经成功应用于国内多家热连轧带钢生产现场，运行稳定可靠.     

金属量子结构中的半导体输运性质及其调控

随着后摩尔时代的推进,以硅为基础的半导体器件正接近其性能极限.除了不断引入新的器件结构外,设计具有半导体特性的金属量子结构为微电子器件的性能提升提供了全新的解决方案;而打开金属带隙,使其具有栅极可调半导体输运,是实现其应用的关键.以此为目的,自20世纪末以来,多种金属量子结构便逐步被设计与开发,其输运特性的有效调控也被学术界广泛研究.本文回顾了零维量子点、一维纳米线/纳米管、二维材料/人工二维晶格/超导薄膜等不同维度金属量子结构的研究进展;针对这些结构体系,介绍了其各自的能隙调控思想,总结分析了可控输运特性的实现方法与内在机制,对比展示了材料结构的电学性能及应用前景.基于目前报道的研究结果,提出了未来预期的研究方向:开发金属量子结构中输运与自旋关联特性,设计同时传输电荷与自旋信息,且具有栅极可调输运带隙的全金属沟道材料、结构与器件.     

支持通信数据查询分析的分布式计算系统

本文详细介绍一种基于分布式内存的通信数据管理平台,可以有效支持针对通信数据的实时处理以及在线查询分析任务.首先,通过对分布式技术、内存技术进行分析,依据通信业务的特点进行技术选型;然后,基于高性能的分布式内存计算环境,设计、实现针对通信数据的实时处理与在线查询分析平台;最后,利用内存技术对平台实现方案进行技术优化.实验结果表明,基于内存的分布式计算系统在查询响应速度、实时数据处理效率、系统资源利用率以及数据吞吐量上较基于硬盘的系统较大的性能提升.     

数据+人工智能是材料基因工程的核心

 材料基因工程的工作模式,可大致总结为实验驱动、计算驱动和数据驱动3种。以"数据+人工智能"为标志的数据驱动模式围绕数据产生与数据处理展开,代表了材料基因工程的核心理念与发展方向。材料研究由"试错法"向科学第四范式的根本转变,将更快、更准、更省地获得成分-结构-工艺-性能间的关系。在数据密集型科学时代,快速获取大量材料数据的能力成为关键,而基于高通量实验与高通量计算的"数据工厂"是满足材料基因工程数据需求的重要平台。     

基于Spark的ISOMAP算法并行化

为了实现大数据环境下非线性高维数据的快速降维,提出了一种基于Spark的并行ISOMAP算法.在该算法中,为了快速构建邻域矩阵,设计并实现了基于精确欧式位置敏感哈希的近邻搜索并行算法;为了实现特征值的快速求解,设计并实现了基于幂法和降阶法交替执行的特征值求解并行算法.为了进一步提高算法的性能,基于Spark的特性,利用Spark的稀疏向量、广播机制和缓存机制对并行ISOMAP算法进行了优化,减少了计算过程中的内存消耗和数据传输.在Swissroll数据集和S-curve数据集上的实验结果表明,基于Spark的并行ISOMAP算法通过并行执行和计算过程的优化,极大地提高了算法的执行效率,能够适用于大规模数据集的降维处理.     

螺旋桨流固耦合特性的数值模拟

基于ANSYS Workbench平台,利用其多场分析功能,采用求解RANS方程的方法,利用CFX求解器对螺旋桨3维流场进行数值模拟,利用有限元求解器计算螺旋桨结构响应,并将有限元求解器的设置输出为结构求解子程序,供CFX计算时调用以实现数据的实时双向传递,从而将流体计算与结构变形计算耦合起来,给出一种求解螺旋桨流固耦合问题的3维数值模拟方法,并通过与试验数据的比较验证了方法的可靠性.设定2种材料特性,对螺旋桨的水动力性能、桨叶变形及应力应变特性等进行了数值模拟.结果表明:材料特性对变形及应变较为显著,弹性桨的变形与应变较刚性桨约高1个量级;变形后的螺旋桨又对水动力性能及周围流场产生影响,弹性桨的推力和转矩均比刚性桨小.     

海洋监测数据多级传输控制

建立基于海基、空基、天基平台的海空天综合数据传输网络（SASIN）和协同数据传输机制,通过增加具有热点的巡游节点,如无人机、无人艇和船舶等,辅助采集处理浮标/潜标数据,转发至数据中心,从而增加数据整体传输效率,减小传输延时.研究了SASIN中的虚拟机分配和计算任务卸载联合调度控制机制,有效地将计算资源分配给无人机边缘服务器中的不同虚拟机.提出了一种动态网络条件下基于Q学习的计算卸载学习方法,从而处理多维SASIN资源调度.      

网络控制系统二维优先级和带宽调度策略研究

研究了一种基于二维优先级和带宽调节的网络控制系统调度问题。在调度器的设计过程中,为对优先级和带宽进行协同调度,将任务的执行次序通过任务的一级优先级和任务的二级优先级决定,并在二维优先级调度机制中进一步引入二维带宽控制策略,以根据用户需求实时动态调整网络带宽,从而改善网络环境,克服了现有调度策略的不足。最后,通过仿真分析验证了调度算法的有效性。     

基于二维路由的流量工程解决方案

流量工程是应对互联网规模和流量高速增长的必要方法,高效的流量工程受限于流量矩阵的测量和已有路由设备转发能力.结合上述挑战提出了基于大流调度的二维路由流量工程方案,建立了描述二维路由大流调度问题的数学优化模型,使用改进的随机取整算法求得问题的近似解.实现了基于Quagga的二维路由大流调度的原型系统,使用扩展链路状态通告下发路由决策信息.真实实验证明,系统能够实现大流的快速调度.仿真实验结果表明,基于二维路由的大流调度明显优于基于传统一维路由方式的大流调度,并且前者能够达到接近最优的调度结果.真实实验和仿真实验证明,该方案不仅仅实现了更为细粒度的流量调度,而且具有更好的可扩展性以及更低的转发流表开销.     

虚拟计算环境业务支撑平台

为了更好地对虚拟计算环境iVCE实验床资源进行组织和控制,并能进行更有效的试验,设计实现了一个业务支撑平台.基于自定义的适合平台数据的通信和传输协议,设计了分布式自适应的目录服务器和作业调度子系统.目录服务器有效整合了实验床平台资源的静态和动态数据,调度子系统有效支撑了平台上应用的部署、运行、调度和管理.在业务支撑平台上进行了网络动态变化下目录查询实验、分布式协同实验,验证了虚拟计算环境体系结构的合理性,为其进一步发展提供了一个可参考的支撑平台.     

面向高通量应用的众核处理器任务调度

具有高通量特征的大数据应用已成为目前数据中心的主流应用,这些应用在传统处理器平台上的运行效率不高,原因之一是任务调度的低效。针对高通量应用的一些典型特征以及现有任务窃取算法的不足,该文提出一种程序行为和环境感知的任务调度机制,通过软硬件结合实现了处理器核的分区管理和任务的分级调度,减小了不同应用之间因争用共享资源对性能产生的不利影响,同时利用线程相似度高的特点提高指令缓存的命中率,从而提升系统的整体吞吐率。初步的模拟评估表明:该算法在混合负载情况下性能明显优于现有算法的,在测试的混合负载中平均优于现有算法20%。     

基于Windows Mobile的半导体CVD监控系统的设计与实现

CVD(化学气相沉积)镀膜是半导体生产的关键步骤,沉积过程中对工艺参数、调度信息的管理非常重要。本文根据CVD生产的需求,以Visual C++2005为开发平台,在Windows Mobile平台实现了晶圆化学气相沉积工艺参数的无线实时监控管理,其无线监控特性使操作者避免了现场的有毒气体吸入。     

理论计算在GaN范德华异质结的光催化的研究进展

近年来,后石墨烯时代许多新型二维材料表现出优异的物理化学性能,同时以二维半导体材料为基础构建的二维范德华异质结复合材料为改善光催化剂性能开辟了新的研究方向。二维范德华异质结光催化剂可以增强对可见光的吸收和降低电子和空穴的复合,极大提升光催化性能。氮化镓（gallium nitride,GaN）材料具有禁带宽度大、电子漂移速度快、抗腐蚀性强和耐高温等优点,这为其作为半导体光催化剂提供了可能。介绍了光催化剂材料筛选和二维GaN基范德华异质结研究进展等,通过第一性原理密度泛函理论对二维GaN基异质结体系的光催化性质进行研究分析。     

二维材料中的室温铁电性及器件应用

室温超薄铁电体是制备大容量非易失性存储器的关键材料.在过去的几十年,以钙钛矿结构复杂氧化物为代表的传统铁电薄膜吸引了广泛的关注.然而,受限于潜在的临界尺寸效应,即在其厚度减薄的过程中铁电性会出现减弱甚至消失的现象,发展基于传统铁电体的纳米电子学器件遇到了极大的挑战.二维范德华材料得益于天然稳定的层状结构、表面饱和的化学特性以及层间微弱的相互作用,为在原子尺度极限厚度下实现二维铁电性提供了优良的平台.层状二维铁电材料将为未来纳米电子学器件的进一步微型化和柔性化提供新的机遇和可能.本文首先回顾了传统铁电研究的相关背景,然后主要介绍二维铁电体研究及其器件应用的最新进展,并简要展望其未来的发展方向.     

面向船体分段生产调度的知识导航系统设计

为了解决船体生产调度任务决策过程中容易迷失方向,效率低下的状况,紧密结合生产调度的领域特性,研究了知识地图以及生产调度相关原理,确立了基于知识地图的船体分段生产调度知识导航体系结构,并分析了其实现的关键技术为面向船体分段生产调度的本体、语义节点的构建集成技术、基于本体的语义关联和知识地图实现技术等,将知识导航系统应用于船体生产调度领域.最后,针对某船厂曲面车间的船体分段调度派工过程,构建了知识导航原型系统实例来进行说明.     

新型四配位硅基材料的结构与性质

硅基半导体已广泛用于光电转化和现代通信等不同领域,新型硅基材料的发展,有助于应对功能材料在现代科技领域面临的挑战.本文主要介绍本课题组近年来在新型四配位硅基材料领域中的理论设计与计算模拟,包括新型四面体硅基材料和平面四配位硅基二维单层材料.基于Si(C≡C)_4结构单元,设计了一系列类金刚石结构的宽带隙半导体材料,预测了它们的结构、光电及力学性质,分析了平面四配位硅的成键特征及其稳定化策略,探讨了含平面四配位硅的二维单层材料在锂离子电池和CO_2活化转化中的应用.