關(guān)于作者
一個畢業(yè)于北京大學(xué)數(shù)學(xué)力學(xué)系，在中國科學(xué)院計算所、計算中心和網(wǎng)絡(luò)中心工作過，在澳大利亞科工組織DMS、香港浸會學(xué)院數(shù)學(xué)系和中國21世紀(jì)議程管理中心等處工作過，多次獲國家和中科院科技獎并享受政府特殊津貼的退休老頭?，F(xiàn)在在【中國科普博覽】網(wǎng)“科學(xué)新語林”欄目里開設(shè)一個《數(shù)學(xué)與計算機》的個人專欄，愿和愛好數(shù)學(xué)與計算機的各界網(wǎng)友和青少年朋友，談?wù)剬?shù)學(xué)與計算機的看法、想法。
擬態(tài)計算機（2）
張建中
2013年12月04日
5、 擬態(tài)計算機和普通計算機的區(qū)別
首先要告訴大家，人們通常所說的擬態(tài)計算機是指大型的服務(wù)器而不是指我們?nèi)粘Ｊ褂玫奈⑿陀嬎銠C。
普通計算機“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。測試表明，擬態(tài)計算機典型應(yīng)用的能效，比普通計算機可提升十幾倍到上百倍，高效能特點顯著。
舉個例子：一個大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)公司，其營業(yè)范圍包括網(wǎng)絡(luò)通訊，網(wǎng)絡(luò)游戲，網(wǎng)絡(luò)視頻，網(wǎng)絡(luò)新聞，電子商務(wù)等。因為各個欄目的客戶群不一樣，所以繁忙和空閑的時段也各不相同。如果使用的是普通計算機，在服務(wù)器劃分上是固定不變的，從而會造成忙時擁擠，閑時浪費的現(xiàn)象，大大降低了計算機的效能。而擬態(tài)計算機動態(tài)可變，可根據(jù)不同時段用戶的需求，實時改變結(jié)構(gòu)、合理分配服務(wù)器資源、軟硬件結(jié)合計算來滿足用戶的需求。
擬態(tài)計算機是中國科學(xué)家在計算機體系結(jié)構(gòu)研究方面的原創(chuàng)性成果，為計算機界尋找更節(jié)能高效的計算機體系架構(gòu)提供了新的研究方向或思路。
[caption id="attachment_972" align="aligncenter" width="500"]計算機3.jpg)
擬態(tài)計算機[/caption]
6、擬態(tài)計算機為什么能讓黑客無從下手?
一般而言，傳統(tǒng)計算機有著相對固定的模式，譬方說采用Windows操作系統(tǒng)、Oracle數(shù)據(jù)庫，黑客可以有針對性地研究病毒，進(jìn)行攻擊。但是擬態(tài)計算機系統(tǒng)軟硬件不固定，可以人為控制變化。目前已經(jīng)有了5-6種變化，再加上不同的時間軸，可以演變出多種形態(tài)，讓黑客們“失去打擊目標(biāo)”，破解難度大大增加。
“棱鏡門”事件的曝光，讓人們對網(wǎng)絡(luò)安全憂心忡忡，呼吁使用國產(chǎn)軟硬件的聲音此起彼伏。然而，由于中外計算機技術(shù)的差距，短期內(nèi)不太可能棄用國外的芯片、路由器、操作系統(tǒng)等。擬態(tài)計算機至少可以讓我們從體系上來增加安全性。同樣采用國外的一些設(shè)備，但是采用可變的形態(tài)，同樣的Web服務(wù)，可以呈現(xiàn)多種解決方案，提升安全性。
7、擬態(tài)計算機的應(yīng)用
當(dāng)今社會，人們工作與生活已越來越離不開計算機。盡管計算機技術(shù)日新月異地發(fā)展，但其結(jié)構(gòu)依舊遵循1949年前推出的馮？諾依曼結(jié)構(gòu)，即包含運算器、控制器、存儲器、輸入輸出設(shè)備等五大部件，但這種固定的模式也制約了計算機的發(fā)展?；趥鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)的高性能計算機運算過程中僅使用單一計算結(jié)構(gòu)來處理所有應(yīng)用問題。隨著云計算、大數(shù)據(jù)時代來臨，新的應(yīng)用層出不窮。人們也越來越發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)計算機體系結(jié)構(gòu)面臨著以下問題：由于存儲墻、通信墻、I/0墻等問題的存在，現(xiàn)有體系結(jié)構(gòu)下的實際應(yīng)用性能僅有峰值性能的5%-10%，應(yīng)用性能低；由于采用相對固定配置，用戶無法自主參與計算資源的配置和計算過程的控制，多樣性應(yīng)用與相對單一結(jié)構(gòu)之間的矛盾突出。因此其實用效率往往不足10%。而擬態(tài)計算機的設(shè)計靈感來自于擬態(tài)章魚，采用可變的架構(gòu)。在碰到A問題時，可采用適合A的解算結(jié)構(gòu)；遇到B問題時，可轉(zhuǎn)換為適合B的解算結(jié)構(gòu)。在新體系之下，計算機將變得更智能，通過合理分析、調(diào)配資源，其效能可比一般計算機提升十幾倍甚至上百倍。
如擬態(tài)計算機“圖像識別”應(yīng)用時，用于對互聯(lián)網(wǎng)上的相關(guān)視頻進(jìn)行對比檢測，以過濾出非法視頻?！坝捎诨ヂ?lián)網(wǎng)視頻的數(shù)量龐大，以一批1500萬幀的視頻而言，1臺普通服務(wù)器每秒可以檢索的數(shù)量只有15~30幀，通過擬態(tài)計算機性能可以提升80倍。
擬態(tài)計算機的另一大特點就是節(jié)能。隨著大數(shù)據(jù)、云計算的發(fā)展，國內(nèi)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)快速膨脹，耗能很大。目前中國所有數(shù)據(jù)中心的能耗已經(jīng)相當(dāng)于整個天津市的耗電量，這是一個沉重的負(fù)擔(dān)。目前世界上運算速度最快的前十臺超級計算機，功耗都十分驚人，有的總功耗接近或超過20兆瓦，相當(dāng)于我國發(fā)達(dá)地區(qū)三線城市的照明用電量。目前，電費正成為部分互聯(lián)網(wǎng)公司的一項主要成本。為了就近使用電源，減少能源傳輸消耗，美國著名的搜索引擎公司谷歌在達(dá)拉斯的邊上建立了世界上最大、性能最好的數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心建在水電站附近，當(dāng)這個數(shù)據(jù)中心全部投入使用后，消耗103兆瓦的電力，其耗電量與瑞士日內(nèi)瓦相當(dāng)！隨著我國互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，各類數(shù)據(jù)中心的能耗占我國用電量的比重也越來越大，正面臨“造得起、用不起”的尷尬局面。如用擬態(tài)計算機用作服務(wù)器，原先需要幾十臺服務(wù)器，現(xiàn)在只需一臺擬態(tài)計算機即可，不僅耗電量大幅減少，而且經(jīng)濟(jì)實惠，節(jié)省了占地面積。
8、擬態(tài)計算機發(fā)展的前景
盡管擬態(tài)計算機的優(yōu)點突出，但是目前主要處于理論研究階段，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程仍然“道阻且長”。對于普通用戶而言，擬態(tài)計算機恐怕需要很久以后才會“飛入尋常百姓家”。
擬態(tài)計算機未來的方向主要是超算、IDC等等，其高效、節(jié)能的特點可以充分發(fā)揮。在研究過程中，針對某大型網(wǎng)站用擬態(tài)計算機代替?zhèn)鹘y(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行試驗，結(jié)果1臺擬態(tài)計算機就干完了60臺服務(wù)器的活。在研究過程中，為了能快速實現(xiàn)擬態(tài)計算機產(chǎn)業(yè)化，利用擬態(tài)計算機的設(shè)計理念和認(rèn)知決策技術(shù)等，設(shè)計了高密度微服務(wù)器產(chǎn)品系列，目前已經(jīng)完成用戶測試，進(jìn)入供貨階段。與傳統(tǒng)通用服務(wù)器相比，高密度微服務(wù)器體積和功耗均降低4倍以上。
擬態(tài)計算是中國科學(xué)家原創(chuàng)的計算機結(jié)構(gòu)，很可能成為高效能計算機發(fā)展的先驅(qū)，開辟全球高效能計算機體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的新方向。
不過，擬態(tài)計算機技術(shù)目前也存在壁壘。傳統(tǒng)計算機在軟硬件方面都形成了較為完善的體系，基于計算機的操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、軟件應(yīng)用等都比較豐富，但擬態(tài)計算機剛剛起步，配套還來不及跟上。在此前的實驗中發(fā)現(xiàn)，即便面對一個普通網(wǎng)站，其建設(shè)和維護(hù)的工序也較為復(fù)雜，調(diào)整起來很麻煩。同時，未來成果產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)換后，其市場接受度還需要慢慢培養(yǎng)。
首先要告訴大家，人們通常所說的擬態(tài)計算機是指大型的服務(wù)器而不是指我們?nèi)粘Ｊ褂玫奈⑿陀嬎銠C。
普通計算機“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。測試表明，擬態(tài)計算機典型應(yīng)用的能效，比普通計算機可提升十幾倍到上百倍，高效能特點顯著。
舉個例子：一個大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)公司，其營業(yè)范圍包括網(wǎng)絡(luò)通訊，網(wǎng)絡(luò)游戲，網(wǎng)絡(luò)視頻，網(wǎng)絡(luò)新聞，電子商務(wù)等。因為各個欄目的客戶群不一樣，所以繁忙和空閑的時段也各不相同。如果使用的是普通計算機，在服務(wù)器劃分上是固定不變的，從而會造成忙時擁擠，閑時浪費的現(xiàn)象，大大降低了計算機的效能。而擬態(tài)計算機動態(tài)可變，可根據(jù)不同時段用戶的需求，實時改變結(jié)構(gòu)、合理分配服務(wù)器資源、軟硬件結(jié)合計算來滿足用戶的需求。
擬態(tài)計算機是中國科學(xué)家在計算機體系結(jié)構(gòu)研究方面的原創(chuàng)性成果，為計算機界尋找更節(jié)能高效的計算機體系架構(gòu)提供了新的研究方向或思路。
[caption id="attachment_972" align="aligncenter" width="500"]
擬態(tài)計算機[/caption]
6、擬態(tài)計算機為什么能讓黑客無從下手?
一般而言，傳統(tǒng)計算機有著相對固定的模式，譬方說采用Windows操作系統(tǒng)、Oracle數(shù)據(jù)庫，黑客可以有針對性地研究病毒，進(jìn)行攻擊。但是擬態(tài)計算機系統(tǒng)軟硬件不固定，可以人為控制變化。目前已經(jīng)有了5-6種變化，再加上不同的時間軸，可以演變出多種形態(tài)，讓黑客們“失去打擊目標(biāo)”，破解難度大大增加。
“棱鏡門”事件的曝光，讓人們對網(wǎng)絡(luò)安全憂心忡忡，呼吁使用國產(chǎn)軟硬件的聲音此起彼伏。然而，由于中外計算機技術(shù)的差距，短期內(nèi)不太可能棄用國外的芯片、路由器、操作系統(tǒng)等。擬態(tài)計算機至少可以讓我們從體系上來增加安全性。同樣采用國外的一些設(shè)備，但是采用可變的形態(tài)，同樣的Web服務(wù)，可以呈現(xiàn)多種解決方案，提升安全性。
7、擬態(tài)計算機的應(yīng)用
當(dāng)今社會，人們工作與生活已越來越離不開計算機。盡管計算機技術(shù)日新月異地發(fā)展，但其結(jié)構(gòu)依舊遵循1949年前推出的馮？諾依曼結(jié)構(gòu)，即包含運算器、控制器、存儲器、輸入輸出設(shè)備等五大部件，但這種固定的模式也制約了計算機的發(fā)展?；趥鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)的高性能計算機運算過程中僅使用單一計算結(jié)構(gòu)來處理所有應(yīng)用問題。隨著云計算、大數(shù)據(jù)時代來臨，新的應(yīng)用層出不窮。人們也越來越發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)計算機體系結(jié)構(gòu)面臨著以下問題：由于存儲墻、通信墻、I/0墻等問題的存在，現(xiàn)有體系結(jié)構(gòu)下的實際應(yīng)用性能僅有峰值性能的5%-10%，應(yīng)用性能低；由于采用相對固定配置，用戶無法自主參與計算資源的配置和計算過程的控制，多樣性應(yīng)用與相對單一結(jié)構(gòu)之間的矛盾突出。因此其實用效率往往不足10%。而擬態(tài)計算機的設(shè)計靈感來自于擬態(tài)章魚，采用可變的架構(gòu)。在碰到A問題時，可采用適合A的解算結(jié)構(gòu)；遇到B問題時，可轉(zhuǎn)換為適合B的解算結(jié)構(gòu)。在新體系之下，計算機將變得更智能，通過合理分析、調(diào)配資源，其效能可比一般計算機提升十幾倍甚至上百倍。
如擬態(tài)計算機“圖像識別”應(yīng)用時，用于對互聯(lián)網(wǎng)上的相關(guān)視頻進(jìn)行對比檢測，以過濾出非法視頻?！坝捎诨ヂ?lián)網(wǎng)視頻的數(shù)量龐大，以一批1500萬幀的視頻而言，1臺普通服務(wù)器每秒可以檢索的數(shù)量只有15~30幀，通過擬態(tài)計算機性能可以提升80倍。
擬態(tài)計算機的另一大特點就是節(jié)能。隨著大數(shù)據(jù)、云計算的發(fā)展，國內(nèi)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)快速膨脹，耗能很大。目前中國所有數(shù)據(jù)中心的能耗已經(jīng)相當(dāng)于整個天津市的耗電量，這是一個沉重的負(fù)擔(dān)。目前世界上運算速度最快的前十臺超級計算機，功耗都十分驚人，有的總功耗接近或超過20兆瓦，相當(dāng)于我國發(fā)達(dá)地區(qū)三線城市的照明用電量。目前，電費正成為部分互聯(lián)網(wǎng)公司的一項主要成本。為了就近使用電源，減少能源傳輸消耗，美國著名的搜索引擎公司谷歌在達(dá)拉斯的邊上建立了世界上最大、性能最好的數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心建在水電站附近，當(dāng)這個數(shù)據(jù)中心全部投入使用后，消耗103兆瓦的電力，其耗電量與瑞士日內(nèi)瓦相當(dāng)！隨著我國互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，各類數(shù)據(jù)中心的能耗占我國用電量的比重也越來越大，正面臨“造得起、用不起”的尷尬局面。如用擬態(tài)計算機用作服務(wù)器，原先需要幾十臺服務(wù)器，現(xiàn)在只需一臺擬態(tài)計算機即可，不僅耗電量大幅減少，而且經(jīng)濟(jì)實惠，節(jié)省了占地面積。
8、擬態(tài)計算機發(fā)展的前景
盡管擬態(tài)計算機的優(yōu)點突出，但是目前主要處于理論研究階段，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程仍然“道阻且長”。對于普通用戶而言，擬態(tài)計算機恐怕需要很久以后才會“飛入尋常百姓家”。
擬態(tài)計算機未來的方向主要是超算、IDC等等，其高效、節(jié)能的特點可以充分發(fā)揮。在研究過程中，針對某大型網(wǎng)站用擬態(tài)計算機代替?zhèn)鹘y(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行試驗，結(jié)果1臺擬態(tài)計算機就干完了60臺服務(wù)器的活。在研究過程中，為了能快速實現(xiàn)擬態(tài)計算機產(chǎn)業(yè)化，利用擬態(tài)計算機的設(shè)計理念和認(rèn)知決策技術(shù)等，設(shè)計了高密度微服務(wù)器產(chǎn)品系列，目前已經(jīng)完成用戶測試，進(jìn)入供貨階段。與傳統(tǒng)通用服務(wù)器相比，高密度微服務(wù)器體積和功耗均降低4倍以上。
擬態(tài)計算是中國科學(xué)家原創(chuàng)的計算機結(jié)構(gòu)，很可能成為高效能計算機發(fā)展的先驅(qū)，開辟全球高效能計算機體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的新方向。
不過，擬態(tài)計算機技術(shù)目前也存在壁壘。傳統(tǒng)計算機在軟硬件方面都形成了較為完善的體系，基于計算機的操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、軟件應(yīng)用等都比較豐富，但擬態(tài)計算機剛剛起步，配套還來不及跟上。在此前的實驗中發(fā)現(xiàn)，即便面對一個普通網(wǎng)站，其建設(shè)和維護(hù)的工序也較為復(fù)雜，調(diào)整起來很麻煩。同時，未來成果產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)換后，其市場接受度還需要慢慢培養(yǎng)。