“新概念高效能計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)研究開放”項(xiàng)目21日在滬通過專家組驗(yàn)收，意味著由中國(guó)科學(xué)家首先提出的擬態(tài)計(jì)算機(jī)技術(shù)成為現(xiàn)實(shí)，可能為高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展開辟新方向。

擬態(tài)計(jì)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(dòng)物。經(jīng)過6年的潛心研究，該項(xiàng)目帶頭人、中國(guó)工程院院士鄔江興教授及其團(tuán)隊(duì)提出了基于擬態(tài)計(jì)算的主動(dòng)認(rèn)知可重構(gòu)體系結(jié)構(gòu)，研制出了世界上第一臺(tái)擬態(tài)計(jì)算機(jī)的原理驗(yàn)證樣機(jī)。擬態(tài)計(jì)算機(jī)的最大特點(diǎn)是高效能。測(cè)試表明，針對(duì)特定運(yùn)算任務(wù)的能效比可提升十幾倍到數(shù)百倍。該計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的新方向。

擬態(tài)計(jì)算機(jī)

目前一般的計(jì)算機(jī)“結(jié)構(gòu)固定不變、靠軟件編程計(jì)算”，而擬態(tài)計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)可變，“靠變結(jié)構(gòu)、軟硬件結(jié)合計(jì)算”。針對(duì)用戶不同的應(yīng)用需求，擬態(tài)計(jì)算機(jī)可通過改變自身結(jié)構(gòu)提高效能。擬態(tài)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)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(dòng)物的外表和行為。

歷時(shí)6年潛心研究，中國(guó)工程院院士鄔江興帶領(lǐng)500余人團(tuán)隊(duì)完成的“新概念高效能計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)研究研發(fā)”項(xiàng)目，昨天通過了科技部的驗(yàn)收，標(biāo)志著世界上第一臺(tái)擬態(tài)計(jì)算原理驗(yàn)證樣機(jī)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(jì)算機(jī)，換句話說，計(jì)算機(jī)的架構(gòu)，會(huì)根據(jù)任務(wù)不同，改變成不同形態(tài)。“這是計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)。事實(shí)上，60多年來，計(jì)算機(jī)一直受制于馮·諾依曼設(shè)計(jì)的以運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器和輸入輸出設(shè)備幾大件組成的“經(jīng)典結(jié)構(gòu)”。“經(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(gè)問題是“走不快”，小腳穿大鞋會(huì)絆腳，大腳穿小鞋則會(huì)喊疼。這正如現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的使用效率，目前世界上TOP500排行榜上的計(jì)算機(jī)，絕大部分應(yīng)用的實(shí)際使用效率不到10%，因?yàn)槟壳疤岣哂?jì)算機(jī)運(yùn)行速度的手段主要靠增加“核”，而一般很少有讓幾百萬個(gè)“核”同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候。

想要提高運(yùn)算性能，能耗卻成了不能承受之重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，天河2號(hào)每小時(shí)用電17.8兆瓦，相當(dāng)于發(fā)達(dá)地區(qū)一個(gè)三級(jí)小城市公共照明的耗電量，一年下來，電費(fèi)高達(dá)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(huì)偽裝的擬態(tài)章魚身上，鄔江興為未來計(jì)算機(jī)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(dòng)物的外表和行為，鄔江興提出的計(jì)算機(jī)構(gòu)想就是，計(jì)算機(jī)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(yùn)算，需要多少就組合多少，不浪費(fèi)一點(diǎn)資源。

這種彈性的組合方式能優(yōu)化資源配置。如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò)終端由100臺(tái)電腦構(gòu)成，其中30臺(tái)提供郵件服務(wù)，70臺(tái)提供影音服務(wù)，當(dāng)有80個(gè)人需求影音服務(wù)、10個(gè)人需求郵件服務(wù)時(shí)，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)就會(huì)讓點(diǎn)播影音的人感到延遲，而空余的20臺(tái)郵件電腦則白白浪費(fèi)著電。當(dāng)結(jié)構(gòu)可變時(shí)，解決方案就智能得多，元結(jié)構(gòu)會(huì)根據(jù)需求變形成80臺(tái)影音電腦和10臺(tái)郵件電腦，讓每個(gè)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。通常“一個(gè)通用的東西一定是低效的，一個(gè)高效的東西一定是專用的。”鄔江興深知這是一個(gè)巨大難題，但仍在計(jì)算機(jī)發(fā)展道路上苦苦探求繩子的平衡點(diǎn)。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)是為了計(jì)算而生的，在同時(shí)處理多種應(yīng)用的不同要求時(shí)顯得“笨拙”。像天河2號(hào)這樣的超級(jí)計(jì)算機(jī)有幾十萬個(gè)核，核同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)讓計(jì)算機(jī)達(dá)到每秒千萬億次的峰值，然而有時(shí)一道題目是要求利用上一步的運(yùn)算結(jié)果才能繼續(xù)解答的，那么擅長(zhǎng)“同時(shí)運(yùn)算”的超級(jí)計(jì)算機(jī)將無用武之地。而在擬態(tài)計(jì)算機(jī)的測(cè)試中，通過改變結(jié)構(gòu)，向服務(wù)器發(fā)送網(wǎng)頁(yè)的效率提高了20多倍，圖像識(shí)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(jì)算機(jī)的成功研制讓人們看到了高效能計(jì)算機(jī)時(shí)代來臨的曙光，但鄔江興表示，這只是理想到現(xiàn)實(shí)的第一步，這項(xiàng)技術(shù)離真正產(chǎn)業(yè)化還有很長(zhǎng)的路要走，接下來科學(xué)家們的任務(wù)，就是擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，讓“鞋子”更好地適應(yīng)每一雙“腳”。