“新概念高效能計算機體系結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)研究開放”項目21日在滬通過專家組驗收，意味著由中國科學(xué)家首先提出的擬態(tài)計算機技術(shù)成為現(xiàn)實，可能為高性能計算機的發(fā)展開辟新方向。

擬態(tài)計算的靈感來源于生活在東南亞海域的擬態(tài)章魚，該章魚為了適應(yīng)環(huán)境可以模擬至少15種動物。經(jīng)過6年的潛心研究，該項目帶頭人、中國工程院院士鄔江興教授及其團隊提出了基于擬態(tài)計算的主動認(rèn)知可重構(gòu)體系結(jié)構(gòu)，研制出了世界上第一臺擬態(tài)計算機的原理驗證樣機。擬態(tài)計算機的最大特點是高效能。測試表明，針對特定運算任務(wù)的能效比可提升十幾倍到數(shù)百倍。該計算機的研制很可能成為改變“游戲規(guī)則”的變革性技術(shù)，開創(chuàng)高效能計算機體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的新方向。

擬態(tài)計算機

目前一般的計算機“結(jié)構(gòu)固定不變、靠軟件編程計算”，而擬態(tài)計算機動態(tài)可變，“靠變結(jié)構(gòu)、軟硬件結(jié)合計算”。針對用戶不同的應(yīng)用需求，擬態(tài)計算機可通過改變自身結(jié)構(gòu)提高效能。擬態(tài)計算機的設(shè)計靈感來自擬態(tài)章魚。擬態(tài)章魚是自然界的“偽裝大師”，它能扭曲身體和觸手，改變顏色，模仿至少十五種動物的外表和行為。

歷時6年潛心研究，中國工程院院士鄔江興帶領(lǐng)500余人團隊完成的“新概念高效能計算機體系結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)研究研發(fā)”項目，昨天通過了科技部的驗收，標(biāo)志著世界上第一臺擬態(tài)計算原理驗證樣機的研制成功。

記者了解到，這是一種基于認(rèn)知可改變結(jié)構(gòu)的擬態(tài)計算機，換句話說，計算機的架構(gòu)，會根據(jù)任務(wù)不同，改變成不同形態(tài)。“這是計算機體系結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新，為人們一直在尋找更節(jié)能高效的計算機提供了方向。”鄔江興說。

尋求突破傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)

你是否也有這樣的感受——無論如何貨比三家，也無法挑選出最適合自己用的計算機。事實上，60多年來，計算機一直受制于馮·諾依曼設(shè)計的以運算器、控制器、存儲器和輸入輸出設(shè)備幾大件組成的“經(jīng)典結(jié)構(gòu)”?！敖?jīng)典結(jié)構(gòu)”的好處是通用，也就是無論什么任務(wù)它都能處理;而弊端恰恰也是通用，“不管你腳多大，必須穿上37碼的鞋走路。”鄔江興說。

“鞋不合腳”帶來的第一個問題是“走不快”，小腳穿大鞋會絆腳，大腳穿小鞋則會喊疼。這正如現(xiàn)在計算機的使用效率，目前世界上TOP500排行榜上的計算機，絕大部分應(yīng)用的實際使用效率不到10%，因為目前提高計算機運行速度的手段主要靠增加“核”，而一般很少有讓幾百萬個“核”同時運轉(zhuǎn)的時候。

想要提高運算性能，能耗卻成了不能承受之重。據(jù)統(tǒng)計，天河2號每小時用電17.8兆瓦，相當(dāng)于發(fā)達地區(qū)一個三級小城市公共照明的耗電量，一年下來，電費高達1.5億元。

因此，科學(xué)家們一直在尋求打破“經(jīng)典結(jié)構(gòu)”。

擬態(tài)章魚觸發(fā)靈感

從自然界最會偽裝的擬態(tài)章魚身上，鄔江興為未來計算機找到了一種思路。

擬態(tài)章魚能扭曲身體和觸手，改變顏色，模仿至少15種動物的外表和行為，鄔江興提出的計算機構(gòu)想就是，計算機基于任務(wù)需要，由元結(jié)構(gòu)組合出多種應(yīng)用目標(biāo)結(jié)構(gòu)等來支持不同運算，需要多少就組合多少，不浪費一點資源。

這種彈性的組合方式能優(yōu)化資源配置。如果一個網(wǎng)絡(luò)終端由100臺電腦構(gòu)成，其中30臺提供郵件服務(wù)，70臺提供影音服務(wù)，當(dāng)有80個人需求影音服務(wù)、10個人需求郵件服務(wù)時，傳統(tǒng)計算機就會讓點播影音的人感到延遲，而空余的20臺郵件電腦則白白浪費著電。當(dāng)結(jié)構(gòu)可變時，解決方案就智能得多，元結(jié)構(gòu)會根據(jù)需求變形成80臺影音電腦和10臺郵件電腦，讓每個使用者都能享受優(yōu)質(zhì)服務(wù)。

如何平衡高效與通用

在科學(xué)家心中，高效和通用，是一根繩子的兩端，不可兼得。通?！耙粋€通用的東西一定是低效的，一個高效的東西一定是專用的?！编w江興深知這是一個巨大難題，但仍在計算機發(fā)展道路上苦苦探求繩子的平衡點。

傳統(tǒng)計算機是為了計算而生的，在同時處理多種應(yīng)用的不同要求時顯得“笨拙”。像天河2號這樣的超級計算機有幾十萬個核，核同時運轉(zhuǎn)讓計算機達到每秒千萬億次的峰值，然而有時一道題目是要求利用上一步的運算結(jié)果才能繼續(xù)解答的，那么擅長“同時運算”的超級計算機將無用武之地。而在擬態(tài)計算機的測試中，通過改變結(jié)構(gòu)，向服務(wù)器發(fā)送網(wǎng)頁的效率提高了20多倍，圖像識別和口令恢復(fù)等任務(wù)的能效提高了200多倍。

盡管擬態(tài)計算機的成功研制讓人們看到了高效能計算機時代來臨的曙光，但鄔江興表示，這只是理想到現(xiàn)實的第一步，這項技術(shù)離真正產(chǎn)業(yè)化還有很長的路要走，接下來科學(xué)家們的任務(wù)，就是擴大應(yīng)用領(lǐng)域，讓“鞋子”更好地適應(yīng)每一雙“腳”。