盧 民 榮
(福建江夏學(xué)院 會計學(xué)院, 福建 福州 350108)
根據(jù)馮·諾依曼型架構(gòu),目前計算機(jī)架構(gòu)設(shè)計大部分基于存儲器,計算機(jī)主要由運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等五大件組成,運(yùn)算器、控制器功能由CPU完成,數(shù)據(jù)和程序指令存儲在存儲器中,等待運(yùn)行的時候調(diào)用,運(yùn)行結(jié)果也放到存儲器中[1]。早期計算機(jī)的CPU與主存的工作速度較為接近,主存的速度并不影響整機(jī)的運(yùn)算速度,近幾年電子科學(xué)迅速發(fā)展,影響計算機(jī)運(yùn)行效率關(guān)鍵硬件CPU性能在1986~2004年間的年增長率約為52%,自2004年開始每年CPU性能增長率約為20%[2],可以說CPU速度已經(jīng)很快了,因此現(xiàn)在的CPU已經(jīng)不會成為計算機(jī)運(yùn)行速度的瓶頸,性能瓶頸主要在于存儲器。存儲器的硬件分為主存(也稱“內(nèi)存”)和輔助存儲器(也稱“硬盤”、“外存”),主存的訪問延遲改善情況每年約7%[2];HDD訪問延遲更為致命,從2000年開始硬盤轉(zhuǎn)速就已經(jīng)達(dá)到7 200 r/m,相隔十幾年,現(xiàn)在HDD的容量倒是提升了很多,1 TB、2 TB均已投入市場,然而速度卻沒有多少改變,主流轉(zhuǎn)速仍然是7 200 r/m,讀寫速度基本處于100~150 MB/s之間,主要是因為市場上硬盤大部分是機(jī)械硬盤(也稱“傳統(tǒng)磁盤”),機(jī)械磁盤受限于磁頭移動和磁盤旋轉(zhuǎn)等機(jī)械運(yùn)動,響應(yīng)時間和吞吐率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于CPU和主存[3-4]。這就導(dǎo)致CPU與存儲器之間的性能差異逐漸加大,形成了“存儲墻”問題,可以這么說現(xiàn)在計算機(jī)性能瓶頸在于存儲器的速度,尤其是HDD的速度[5,6]。
從2009年許多硬盤制造商開始投入SSD(也稱“電子硬盤”)的研究與生產(chǎn),與HDD相比,SSD有著明顯優(yōu)勢,如響應(yīng)時間極短、功耗小、讀寫速度很快(目前市場上SSD讀寫速度基本都達(dá)到了500 MB/s以上,比HDD快3~5倍以上)等;剛開始SSD因為價格高和數(shù)據(jù)丟失很難還原等沒有得到普及,隨著技術(shù)提升,現(xiàn)在SSD技術(shù)已經(jīng)比較成熟,并廣泛應(yīng)用于軍事、航空、醫(yī)療、導(dǎo)航、工控、電力、監(jiān)控等行業(yè)[7-8]。
目前,高校實驗室計算機(jī)仍然普遍以Microsoft Windows XP Professional 32位操作系統(tǒng)(簡稱“XP”)為主,2014年4月8日微軟宣布XP停止服務(wù),并提示繼續(xù)使用將有風(fēng)險,計算機(jī)用戶升級操作系統(tǒng)是必然趨勢,但計算機(jī)配置卻成了一大阻因。而這幾年高校對實驗室的投入已經(jīng)形成一定的規(guī)模[9],實驗室計算機(jī)數(shù)量之多,升級或購買新的計算機(jī)都需要慎重考慮。本文結(jié)合高校計算機(jī)實驗室實際情況,主要研究使用較低成本快速提升實驗室計算機(jī)性能、升級操作系統(tǒng),同時延長計算機(jī)服務(wù)年限,降低實驗室計算機(jī)報廢率,具有實際的應(yīng)用和推廣價值。
SSD存儲是以閃存作為存儲單元,不僅可以隨機(jī)訪問而且通常以頁為單位進(jìn)行讀寫,其響應(yīng)時間極短,響應(yīng)速度是HDD的3~5倍,而更為可觀是的SSD的讀寫延時比HDD快幾十倍[10]。本文通過專業(yè)硬盤檢測工具HD Tune 5.0在同一軟件環(huán)境中對硬盤性能進(jìn)行檢測,從多個角度對比分析SSD和HDD,數(shù)據(jù)采樣來源為福建江夏學(xué)院會計學(xué)院實驗室計算機(jī)設(shè)備中80 GB和320 GB硬盤,120 GB為新型試驗SSD,硬盤各參數(shù)比較如表1所示,下文使用簡稱SSD 120 GB、HDD 80 GB、HDD 320 GB分析代表各自型號的硬盤。
表1 SSD和HDD的硬盤參數(shù)
從表1可以看出,SSD緩存和讀取速度要高出HDD很多倍,而2007年和2010年采購的HDD在容量增加四倍但性能并未有多少改進(jìn);因此實驗環(huán)境的計算機(jī)配置雖然2010年的CPU和內(nèi)存上性能比2007年提升好幾倍,但計算機(jī)性能受到HDD限制并未發(fā)揮出相應(yīng)的提升效果。在測試計算機(jī)上安裝Windows 7 64位操作系統(tǒng),并加載這三個硬盤,測試數(shù)據(jù)如表2~4所示;從測試結(jié)果中得出在傳輸速度上HDD 320 GB同比80 GB提升將近1倍,但在響應(yīng)時間、讀寫延時沒有多大改觀;但SSD在測試數(shù)據(jù)上都比HDD 80G提升五倍以上,隨機(jī)存取測試中甚至可超過100倍,由此可知文獻(xiàn)[10]中指出SSD隨機(jī)尋址延時比HDD快500倍以上,完全符合實際,而且在日后固態(tài)硬盤生產(chǎn)技術(shù)日趨成熟,速度將更進(jìn)一步提升,其應(yīng)用也會更加廣泛。
表2 硬盤傳輸速度測試結(jié)果 MB/s
此表數(shù)據(jù)越大表示性能越好,反之越差;傳輸速率在數(shù)值上等于每秒傳輸構(gòu)成數(shù)據(jù)代碼的比特數(shù),傳輸速率越高其傳輸速度就越快。
此表數(shù)據(jù)越小性能越好,反之越差;存取時間越短計算機(jī)響應(yīng)時間就越少,其響應(yīng)速度就越快,SSD響應(yīng)時間明顯少于HDD許多倍。
表3 硬盤讀寫時間測試結(jié)果 ms
表4 硬盤IO操作測試結(jié)果 IOPs
此表數(shù)據(jù)越大表示性能越好,反之越差;IO/s是指每秒進(jìn)行讀寫操作的次數(shù),IO/s值越大其讀寫延時就越小,SSD讀寫操作優(yōu)勢十分明顯。
福建江夏學(xué)院會計學(xué)院實驗室分為會計電算化、模擬銀行、財務(wù)管理、稅收籌劃和審計實驗室,只有審計一間實驗室計算機(jī)配置較高為2010年采購的聯(lián)想ThinkCentre M8200t,其它實驗室計算機(jī)配置均為2007年采購的方正尊越A360,因此多數(shù)實驗教學(xué)仍然使用方正尊越A360計算機(jī)。本文使用這兩種配置的計算機(jī)組建實驗環(huán)境,具體組建方法如下:
(1) 實驗主機(jī)一。方正尊越A360的硬件配置為Intel Pentium Dual E2140 1.6GB雙核CPU,DDR2 667 MHz 1 GHz內(nèi)存,HDD 80GB硬盤和128MB顯示卡;共計50臺。
(2) 實驗主機(jī)二。聯(lián)想ThinkCentre M8200t的硬件配置為Intel Core i3 540 Dual E2140 3.07GB雙核四線程CPU,DDR3 1333 MHz 4 GHz內(nèi)存,HDD 320 GB,集顯;共計50臺。其CPU和內(nèi)存性能優(yōu)越于實驗主機(jī)一很多倍。
(3) 實驗主機(jī)三。在實驗主機(jī)一上搭載SSD,將HDD 80G作為數(shù)據(jù)盤,SSD 120 GB作為系統(tǒng)盤,共計6臺。
按照會計軟件的特點(diǎn)分兩組軟件環(huán)境進(jìn)行測試,第一組在這三類主機(jī)安裝相同的會計教學(xué)軟件,考慮到會計實驗教學(xué)中使用財務(wù)會計軟件有用友通標(biāo)準(zhǔn)版和用友ERP-U8院校專版,這兩個軟件在配置上剛好存在沖突,為了方便教學(xué)實驗室將其分別安裝在不同操作系統(tǒng)上,HDD 80G硬盤規(guī)劃為C盤、D盤各30 GB用于安裝操作系統(tǒng)和相應(yīng)的教學(xué)軟件,其余空間做為數(shù)據(jù)盤,以供學(xué)生上機(jī)使用。安裝操作系統(tǒng)均為XP Service Pack 3并各自命名為XP1、XP2,XP1安裝用友通標(biāo)準(zhǔn)版10.2,XP2安裝用友ERP-U8院校專版8.61(以下簡稱“861”),其它為公共的軟件主要包含:教學(xué)控制軟件(凌波多媒體教學(xué)網(wǎng)6.9.2),辦公軟件(Office 2003:Word、Excel、PowerPoint和0ffice 2007:Word、Excel、PowerPoint、Access、Visio),數(shù)據(jù)庫軟件(Sql Server 2000 Service Pack 4),開發(fā)工具(Delphi 7.0),殺毒軟件(金山毒霸悟空永久免費(fèi)版SP5,病毒庫更新至2014-3-21)等;其系統(tǒng)盤空間占用約13G,空閑空間約為16 GB。
第二組軟件環(huán)境將861替換為用友ERP-U8院校專版8.72(以下簡稱“872”)和0ffice 2010(Word、Excel、PowerPoint、Access、Visio),以適應(yīng)新版本的教學(xué)軟件。會計教學(xué)軟件從861升級到872是必然趨勢,這也是多一組測試的必要性,但受到計算機(jī)現(xiàn)有配置的約束,大部分教學(xué)仍然使用861。
在同一軟件環(huán)境下對三種不同主機(jī)硬件進(jìn)行軟件常規(guī)操作對比,為了更準(zhǔn)確地記錄執(zhí)行程序所需時間即響應(yīng)時間,實驗過程中在記錄其響應(yīng)時間上使用平均時間取值,其中除同傳操作實驗主機(jī)一和二均為50臺計算機(jī)操作的平均時間,實驗主機(jī)三取6臺計算機(jī)操作的平均時間。開機(jī)包括了還原卡加載時間和連帶系統(tǒng)默認(rèn)啟動服務(wù)的有數(shù)據(jù)庫管理軟件Sql Server 2000、教學(xué)控制軟件凌波多媒體教學(xué)網(wǎng)學(xué)生端和殺毒軟件等。為了更清楚對比實驗結(jié)果,在響應(yīng)時間對比表中以實驗主機(jī)一的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn),分別在實驗主機(jī)二、三上增加時間倍數(shù)用于更明顯地比較計算機(jī)性能。第一組實驗通過安裝所需要軟件環(huán)境進(jìn)行同傳,并記錄其消耗時長;同傳成功后計算開關(guān)機(jī)、打開Delphi 7.0界面、使用金山毒霸進(jìn)行C盤全面掃描殺毒等所需要時間,并分別計算在XP1和XP2上操作相應(yīng)的會計教學(xué)軟件響應(yīng)時間,如表5所示。第二組實驗主要計算861升級片872軟件響應(yīng)時間,如表6所示。
殺毒軟件查殺后提示掃描殺毒對象有190 507個,HDD 80G掃描速率168個文件/s,HDD 320 GB掃描速率261個文件/s,SSD 120 GB掃描速率305個文件/s。
表格中聯(lián)想ThinkCentre M8200t和方正尊越A360+SSD 120G括號中表示的倍數(shù)均以方正尊越A360作對比,軟件響應(yīng)時間越短表示其速度越快,使用Ta表示方正尊越A360軟件響應(yīng)時間,使用Tm表示聯(lián)想ThinkCentre M8200t軟件響應(yīng)時間,其計算機(jī)速度倍數(shù)times計算公式為:
表5 軟件響應(yīng)時間對比 s
表6 軟件升級到872響應(yīng)時間對比 s
實驗結(jié)果表明網(wǎng)絡(luò)同傳與硬盤參數(shù)關(guān)系較小,主要由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的交換機(jī)決定其傳輸速度;而其它常規(guī)軟件操作中聯(lián)想ThinkCentre M8200t速度比方正尊越A360快1~2倍,而方正尊越A360搭載SSD后性能明顯提升1倍,部分處理速度比原來快3~5倍;在方正尊越A360基礎(chǔ)上搭載SSD,其計算機(jī)響應(yīng)時間競小于更新配置的聯(lián)想ThinkCentre M8200t計算機(jī),使用了7年的計算機(jī)已經(jīng)進(jìn)入淘汰期,在上面搭載SSD,計算機(jī)性能可以得到明顯改善即實驗主機(jī)三計算機(jī)速度比實驗主機(jī)二快,因此搭載SSD方案優(yōu)化計算機(jī)實驗室具有技術(shù)可行性。同時通過實驗發(fā)現(xiàn)861升級到872軟件響應(yīng)時間延遲較長,原有方正尊越A360計算機(jī)配置運(yùn)行872所需時間過長,影響了正常的日常實驗教學(xué),故不推薦安裝使用。
以教學(xué)環(huán)境為主進(jìn)行測試,從軟件環(huán)境上看,32位的XP操作系統(tǒng)沒有完全發(fā)揮聯(lián)想ThinkCentre M8200t的性能,實驗主機(jī)二的軟件響應(yīng)時間在同等條件下會降低;SSD 120 GB屬于SATA3接口且具有trim技術(shù),在實驗主機(jī)一上搭載SSD,一方面主板的接口技術(shù)限制了其性能,另一方面操作系統(tǒng)本身也沒有發(fā)揮出trim功能,在未來主流SATA3接口的主板使用SSD并安裝64位Microsoft Windows 7 (簡稱“Win 7”)及更高版本的操作系統(tǒng),SSD性能仍會進(jìn)一步得到提升。
隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,外部存儲器HDD和CPU處理速度之間的差距越來越大,提高計算機(jī)系統(tǒng)性能的瓶頸就落在外部存儲設(shè)備上[11]。因為在資源上SSD不會浪費(fèi)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的CPU、內(nèi)存,在提升計算機(jī)的性能上SSD與HDD相比具有明顯優(yōu)勢,目前許多廠商提供較高性能的筆記本電腦都搭載了SSD。從CPU上主頻和多線程處理能力實驗主機(jī)二要比實驗主機(jī)一快5倍以上,從內(nèi)存上看頻率和容量也要高出好幾倍,但在實驗運(yùn)行效果上,卻只能快1~2倍,其間主要性能瓶頸在于硬盤。從實驗主機(jī)一搭載SSD后性能與實驗主機(jī)二基本相當(dāng),甚至從軟件操作響應(yīng)時間上看運(yùn)行效率更高?,F(xiàn)在計算機(jī)在主板總線設(shè)計的速度一般比較快,不會拖后其它硬件的速度,因此影響計算機(jī)性能最為直接的硬件有CPU、內(nèi)存、硬盤3個,而一般實驗室計算機(jī)在投入使用2、3年后,其CPU和內(nèi)存基本已經(jīng)停產(chǎn),CPU和內(nèi)存更新?lián)Q代比較快,實驗室計算機(jī)在投入使用六七年后其主板相兼容的CPU和內(nèi)存已經(jīng)很難購買或者需要比較高的維修成本。計算機(jī)升級比較普遍的做法是計算機(jī)使用2、3年內(nèi)更換速度更快的CPU或容量更大的內(nèi)存,此時升級花費(fèi)成本不會很高;目前SSD在市場上已經(jīng)比較流行,如實驗室計算機(jī)已經(jīng)使用了比較長的時間,想花費(fèi)比較低成本提升計算機(jī)性能,增加一個小容量SSD做為系統(tǒng)盤,原來HDD作為數(shù)據(jù)盤,這可以比較有效的提升操作系統(tǒng)和軟件運(yùn)行的速度,升級后軟硬件安裝如圖1所示。SSD速度快但成本高,在使用SSD進(jìn)行升級時,應(yīng)規(guī)劃好軟件和數(shù)據(jù)放置,充分利用SSD讀寫速度的優(yōu)勢,將操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、殺毒軟件等需要較多讀寫操作都放在SSD上,實驗室計算機(jī)主要是為提供教學(xué)服務(wù),為了縮短軟件響應(yīng)時間,需要將常用的文字處理軟件和教學(xué)相關(guān)的軟件都安裝在SSD上;將不常用、占據(jù)較大空間的軟件和數(shù)據(jù)放在HDD上,如GHOST還原文件、用戶數(shù)據(jù)等。一般軟件都設(shè)數(shù)據(jù)區(qū),軟件在運(yùn)行過程中存儲應(yīng)盡可能放置到HDD上,以減少SSD的空間壓力,因為隨著SSD容量降低,“填滿”引起的遷移顯著增加,SSD性能也會相應(yīng)下降[12]。
同時也要注意并不是所有早期計算機(jī)加載SSD都能有效提升計算機(jī)性能,因為早期主板默認(rèn)硬盤模式是IDE,這種模式是不支持原生命令隊列(Native Command Queuing,NCQ),隊列深度增大性能也不會有太大的變化。在使用SSD提升計算機(jī)性能時,應(yīng)開啟主板BIOS中串行ATA高級主控接口/高級主機(jī)控制器接口(Serial ATA Advanced Host Controller Interface,AHCI),因為SSD支持NCQ,該技術(shù)對挖掘利用SSD內(nèi)部并行特性至關(guān)重要,當(dāng)隊列深度增大,性能也會以幾何級別上升[13]。因此,適合升級SSD的實驗室計算機(jī)配置在主板上應(yīng)支持AHCI和SATA接口,同時CPU應(yīng)具有雙核心,內(nèi)存在1 GB及以上。
在實驗室日常維護(hù)過程中發(fā)現(xiàn)已經(jīng)使用7年的方正尊越A360計算機(jī)部分配件損壞如電源無法供電、顯卡花屏、內(nèi)存損壞等,這些損壞的配件要么很難購買要么維修成本較高,因此損壞的配件按正常報廢處理,將可用配件搭配組裝后繼續(xù)使用?,F(xiàn)在采用SSD升級實驗室計算機(jī),至少可以延長計算機(jī)的使用3~5年,為了保證SSD升級實驗室計算機(jī)能更長時間的正常運(yùn)行,建議高校提升實驗室計算機(jī)性能操作方法如下:
(1) 停止使用一間實驗室(無須報廢)做為配件室,在后續(xù)計算機(jī)使用過程中如遇硬件損壞則使用該配件室進(jìn)行維護(hù)。
(2) 購買SSD,升級已經(jīng)投入5~8年的實驗室計算機(jī)(投入使用時間太短未達(dá)到報廢年限,仍然能繼續(xù)服務(wù)多年;投入使用時間太長,計算機(jī)主板配置可能不支持AHCI和SATA接口,影響SSD性能發(fā)揮);目前SSD都提供SATA3接口,但多年前購買的主板一般是不支持的,此時并未完全發(fā)揮出SSD的性能。
(3) 新建實驗室,至少新建一間實驗室用于替代配件室教學(xué)功能,新建實驗室主板應(yīng)提供SATA3接口,方便日后循環(huán)利用,同時也要根據(jù)教學(xué)需求和招生規(guī)模,新建其它類型的實驗室。
(4) 升級SSD后計算機(jī)繼續(xù)使用直至報廢,當(dāng)報廢時計算機(jī)中SSD設(shè)備完全格式化后可以循環(huán)利用SSD,作為后期新建實驗室的系統(tǒng)盤,在主板支持SATA3接口上SSD性能更佳。
高校實驗室硬件投入建設(shè)經(jīng)費(fèi)和配套維護(hù)經(jīng)費(fèi),都十分巨大,因此高校實驗員應(yīng)適當(dāng)研究高校實驗室成本管理,并進(jìn)一步形成控制強(qiáng)化成本管理的理念[14]。據(jù)調(diào)查,高校實驗室計算機(jī)的使用年限5年報廢的占36.4%,6年報廢的占18.2%,7年報廢的占45.5%[15],由此可見,我國高校計算機(jī)實驗室的計算機(jī)服務(wù)年限比較短,高報廢率一方面反應(yīng)了計算機(jī)軟硬件的更新?lián)Q代很快,使用5年以上的計算機(jī)從客觀上確實存在計算機(jī)硬件較難適應(yīng)新的軟件需求,即使沒有報廢其使用率也大大降低;另一方面從實驗室成本考慮則造成了很大的資源浪費(fèi)。福建江夏學(xué)院2007年9月采購的方正尊越A360計算機(jī)投入使用7年,基本達(dá)到報廢年限,在教學(xué)上確實也存在了不能適應(yīng)的局面,對資源消耗比較高的軟件就很難以順利運(yùn)行,在一定程度上已經(jīng)不能滿足教學(xué)需要。以其中會計學(xué)院為例進(jìn)行使用成本分析,2007年購買成本在4 300元左右,共建設(shè)了會計電算化兩間(每間設(shè)計為65臺),模擬銀行、財務(wù)管理、稅收籌劃各一間,總共計算機(jī)數(shù)量325臺,采購成本為1 397 500元,以7年為使用年限,平均每年消費(fèi)金額為199 643元;7年后需要繼續(xù)采購新計算機(jī),如實驗室數(shù)量不變的情況下購買成本和平均每年消費(fèi)金額基本同上。通常廠商標(biāo)注SSD 120 GB壽命多達(dá)10萬次以上,按此推理,在實驗室中SSD服務(wù)年限可達(dá)10年以上,成本計算以10年為使用年限。依照本文高校提升實驗室計算機(jī)性能操作方法將其中一間實驗室(65臺計算機(jī))作為配件室,其它實驗室購買260個SSD 120 GB進(jìn)行升級,為了防止SSD使用過程中發(fā)生故障,在升級過程中多購買10個SSD作為替換件,并計入成本核算;按照實驗室數(shù)量不變的情況下,新建一間65臺計算機(jī)實驗室用于替代配件室,配備較高性能主板并支持SATA3接口,每臺計算機(jī)的成本約為4 500元。表7對比正常報廢與升級SSD所帶來的成本差距。
從表中數(shù)據(jù)可以看出,升級SSD后到2019年,實驗室加上維護(hù)費(fèi)用總投入成本約為176萬,且SSD 120 GB仍然還能繼續(xù)服務(wù)5年,尚存可利用價值有6萬以上;購買新計算機(jī)替代配件室的新建實驗室仍然能繼續(xù)使用2年,并可循環(huán)利用SSD延長使用5年,其尚存可利用價值有14萬以上。而如果7年報廢則投入成本高達(dá)286萬元,僅能多使用兩年,尚存可利用價值有40萬元,7年正常報廢費(fèi)用的做法要高出近100萬元。此數(shù)據(jù)采樣僅來源于一所高校中一個學(xué)院的實驗室(計算機(jī)數(shù)量325臺),在經(jīng)濟(jì)上已經(jīng)很可觀,如面對全國各大高校及擁有較多計算機(jī)企業(yè),顯然本文提出的高校計算機(jī)實驗室節(jié)約策略具有一定的經(jīng)濟(jì)可行性。
本文以操作系統(tǒng)XP停止服務(wù)為契機(jī),結(jié)合SSD優(yōu)勢,從而提出了改進(jìn)實驗室計算機(jī)性能具備技術(shù)可行性,高校計算機(jī)實驗室基于SSD升級方案一方面可以提升計算機(jī)性能,延長計算機(jī)服務(wù)年限,另一方面在降低實驗室報廢率的同時也可以減少計算機(jī)資源浪費(fèi),為高校實驗室實現(xiàn)低碳化管理做準(zhǔn)備。通過正常報廢與升級SSD的成本比較,高校計算機(jī)實驗室節(jié)約策略具有一定的經(jīng)濟(jì)推廣價值,推廣范圍不限于高校實驗室計算機(jī),對于政府、企業(yè)、個人計算機(jī)同樣適用。目前SSD因為成本較高還未得到普及,其兼容性和服務(wù)年限還需要繼續(xù)進(jìn)一步的觀察;本著SSD高速緩存能極大地改善計算機(jī)的響應(yīng)時間以及市場日益廉價的趨勢,SSD在高校計算機(jī)實驗室中將會得到普及。
表7 正常報廢與升級SSD的成本比較
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