“新概念高效能計算機體系結構及系統研究開放”項目21日在滬通過專家組驗收，意味著由中國科學家首先提出的擬態計算機技術成為現實，可能為高性能計算機的發展開辟新方向。

擬態計算的靈感來源于生活在東南亞海域的擬態章魚，該章魚為了適應環境可以模擬至少15種動物。經過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計算的主動認知可重構體系結構，研制出了世界上第一臺擬態計算機的原理驗證樣機。擬態計算機的最大特點是高效能。測試表明，針對特定運算任務的能效比可提升十幾倍到數百倍。該計算機的研制很可能成為改變“游戲規則”的變革性技術，開創高效能計算機體系結構發展的新方向。

擬態計算機

目前一般的計算機“結構固定不變、靠軟件編程計算”，而擬態計算機動態可變，“靠變結構、軟硬件結合計算”。針對用戶不同的應用需求，擬態計算機可通過改變自身結構提高效能。擬態計算機的設計靈感來自擬態章魚。擬態章魚是自然界的“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500余人團隊完成的“新概念高效能計算機體系結構及系統研究研發”項目，昨天通過了科技部的驗收，標志著世界上第一臺擬態計算原理驗證樣機的研制成功。

記者了解到，這是一種基于認知可改變結構的擬態計算機，換句話說，計算機的架構，會根據任務不同，改變成不同形態。“這是計算機體系結構上的創新，為人們一直在尋找更節能高效的計算機提供了方向。”鄔江興說。

尋求突破傳統結構

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·諾依曼設計的以運算器、控制器、存儲器和輸入輸出設備幾大件組成的“經典結構”。“經典結構”的好處是通用，也就是無論什么任務它都能處理;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”同時運轉的時候。

想要提高運算性能，能耗卻成了不能承受之重。據統計，天河2號每小時用電17.8兆瓦，相當于發達地區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，科學家們一直在尋求打破“經典結構”。

擬態章魚觸發靈感

從自然界最會偽裝的擬態章魚身上，鄔江興為未來計算機找到了一種思路。

擬態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想就是，計算機基于任務需要，由元結構組合出多種應用目標結構等來支持不同運算，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化資源配置。如果一個網絡終端由100臺電腦構成，其中30臺提供郵件服務，70臺提供影音服務，當有80個人需求影音服務、10個人需求郵件服務時，傳統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。當結構可變時，解決方案就智能得多，元結構會根據需求變形成80臺影音電腦和10臺郵件電腦，讓每個使用者都能享受優質服務。

如何平衡高效與通用

在科學家心中，高效和通用，是一根繩子的兩端，不可兼得。通常“一個通用的東西一定是低效的，一個高效的東西一定是專用的。”鄔江興深知這是一個巨大難題，但仍在計算機發展道路上苦苦探求繩子的平衡點。

傳統計算機是為了計算而生的，在同時處理多種應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果才能繼續解答的，那么擅長“同時運算”的超級計算機將無用武之地。而在擬態計算機的測試中，通過改變結構，向服務器發送網頁的效率提高了20多倍，圖像識別和口令恢復等任務的能效提高了200多倍。

盡管擬態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，這只是理想到現實的第一步，這項技術離真正產業化還有很長的路要走，接下來科學家們的任務，就是擴大應用領域，讓“鞋子”更好地適應每一雙“腳”。