超級計算機變身“章魚帝”

中國工程院院士鄔江興帶領團隊歷時6年潛心研究，提出了一種基于擬態計算的主動認知可重構體系結構，并研制出世界上第一臺擬態計算機。9月21日，這項名為“新概念高效能計算機體系結構及系統研究開發”項目在上海通過了國家863計劃項目驗收專家組的驗收。專家們認為，這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，可能為全球高性能計算機的發展開辟新方向。

靈感來自擬態章魚

擬態章魚是自然界最奇妙的偽裝大師，它可以通過扭曲身體和觸手，來模仿至少十五種動物的外表和行為，包括海蛇、比目魚、巨蟹、海貝、水母、海葵等等。

擬態計算機的研發就是從偽裝高手身上得到靈感，鄔江興院士由此提出了未來計算機發展的新思路：計算機可以仿照擬態章魚，做到靈活自如地動態改變架構，以此合理分配資源，讓計算機系統實現真正的高效能運算。

500多人的研發團隊通過原創性研究，融合了仿生學、認知科學和現代信息技術，發明了結構動態可變的第一臺擬態計算機。

此次擬態計算機與“天河二號”“曙光”都是我國研發的超級計算機，它們都是由數百數千甚至數萬的處理器（機）組成的，它們能完成普通PC機不能完成的復雜難題，且運算速度非常快。如果把普通計算機的運算速度比作成人的走路速度，那么超級計算機就達到了火箭的速度。在這樣的運算速度前提下，人們可以通過數值模擬來預測和解釋以前無法實驗的自然現象。

突破傳統計算機的“通用模式”

黑色高大的計算機墻是擬態計算的主體部分，乍一看上去根本就不起眼，其運行效能比普通計算機高幾十甚至幾百倍。擬態計算機研究組成員曹偉說，“比如說基于1500萬幀的圖形庫，如果用IBM一臺服務器做下來的話，它的性能是每秒鐘十幾到二十幾幀的速度，我們如果用在可變結構的擬態計算機里面，那么它的性能可以提高80倍。從效能上來講，可以提高將近300倍。”

傳統計算機使用的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”。這種傳統計算機的好處是通用，也就是無論什么工作它都能處理；而缺陷也恰恰如此，對于用戶來說，平時不管辦公、上網或是打游戲都在一個平臺上進行，通俗地說，“就是一臺計算機什么任務都能做，可什么任務都做不精”。

為了尋求高效、精準的模式，科學家們一直在尋求打破傳統的“通用模式”。項目帶頭人鄔江興院士介紹，“普遍使用的計算機，只有一種運算結構。其特性“結構固定不變、靠軟件編程計算”，而擬態計算機的特性是“動態結構、軟硬件結合計算”。這樣一來，針對計算機用戶不同的應用需求，擬態計算機可以通過改變自身結構來提高效能。

按需供給，動態配置

在所有計算機發展道路上，科學家苦苦探求的平衡點就是怎樣做到低能耗又能達到高效能。

一方面，就目前世界上TOP500排行榜上的超級計算機，提高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，這使得絕大部分計算機的應用使用效率不到10%。

另一個方面，想要提高運算性能，高能耗也成了不能承受之重。世界上運算速度最快的超級計算機，由我國自主研發的“天河二號”，每小時耗電17.8兆瓦，相當于發達地區三線城市全市一小時的照明用電，每天光在電量上的花費就達40萬元。這樣一年下來，電費高達1.5億元。

傳統的計算機運轉效率低且高能耗，而擬態計算機則可以“按需供給”，做到不浪費資源。比如傳統計算機就像十個人組成的隊伍，無論大小任務都被派出去工作，費力又效率低；擬態計算機，就是當任務只需要一個人去做，那么其他九個人可以去做別的事情，既不浪費資源又能提高效率。

當所有的計算能力都用在“刀刃”上，整個系統能耗就大大降低了。可以把擬態計算機看成一個由100臺服務器組成的數據中心，其中40臺用于處理和電子郵件相關的指令，60臺用于提供視頻點播服務。在傳統的計算架構下，這種任務分派是一成不變的；但在新的架構下，如果視頻服務過于集中，60臺服務器應接不暇，那么原本為郵件服務待命的40臺服務器，可以增援去幫助視頻點播服務。這樣一來，計算機資源的可持續利用率提高，而且讓每個使用者都能享受優質服務。鄔江興院士形容道，“擬態計算機后臺時猶如變形金剛，在碰到A問題時，就變成一個適合A的解算結構，在碰到B問題時，再轉換為適合B的解算結構。”

借助擬態計算機結構動態可變的思想，原理驗證樣機已經可以實現圖像識別、口令恢復、Web服務等多個應用。此外，團隊還提出了“擬態安全”的新概念，和擬態章魚“多變”的特點一樣，可大大提高計算機系統的安全性，降低病毒和木馬的危害性。比如拿章魚用八個爪子抓蛇，如果用八個爪子一起去抓毒蛇，八個爪子都易受傷，那就必死無疑，而用一個爪子，受傷的話，還有七個完好的爪子，降低了死亡風險度。