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(jì)算所、計(jì)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(jì)算機(jī)》的個人專欄，愿和愛好數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)的各界網(wǎng)友和青少年朋友，談?wù)剬?shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)的看法、想法。
擬態(tài)計(jì)算機(jī)（1）
張建中
2013年11月27日
1、什么是擬態(tài)計(jì)算機(jī)？
受自然界最為奇妙的“偽裝大師”——擬態(tài)章魚的啟發(fā)，我國科學(xué)家融合仿生學(xué)、認(rèn)知科學(xué)和現(xiàn)代信息技術(shù)，提出擬態(tài)計(jì)算新理論，于2013年成功研制出世界首臺結(jié)構(gòu)動態(tài)可變的擬態(tài)計(jì)算機(jī)（Mimic Computer）。
[caption id="attachment_965" align="aligncenter" width="300"]計(jì)算機(jī).jpg)
擬態(tài)計(jì)算機(jī)[/caption]
擬態(tài)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)靈感來自于擬態(tài)章魚。擬態(tài)章魚是自然界最為奇妙的“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。
擬態(tài)計(jì)算機(jī)堪稱“變形金剛”。目前一般所用的計(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)的結(jié)構(gòu)動態(tài)可變，“靠變結(jié)構(gòu)、軟硬件結(jié)合計(jì)算”。針對用戶不同的應(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)的研制成功，不僅是我國高效能計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的突破，使我國計(jì)算機(jī)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)從跟隨創(chuàng)新到引領(lǐng)創(chuàng)新、從集成創(chuàng)新到原始創(chuàng)新的跨越；同時也是我國主動防御體系研究的重大創(chuàng)新，可從體系技術(shù)層面有效破解我國自主可控戰(zhàn)略在全球一體化時代背景下核心電子器材、高端通用芯片、基礎(chǔ)軟件產(chǎn)品等軟硬件長期受制于人的困局，因此具有重要戰(zhàn)略意義。
經(jīng)驗(yàn)收、測試表明，擬態(tài)計(jì)算機(jī)典型應(yīng)用的能效，比一般計(jì)算機(jī)可提升十幾倍到上百倍，高效能特點(diǎn)顯著。
借助擬態(tài)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)動態(tài)可變的思想，我國科學(xué)家還提出了“擬態(tài)安全”的新概念，可大大提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的安全性，降低病毒和木馬的危害性。
2、擬態(tài)章魚簡介
擬態(tài)章魚，自然界中頂級偽裝高手。這種身體非常軟的動物可以任意改變顏色和形狀，正常體色是帶著斑點(diǎn)的褐色，可模擬各種環(huán)境和其他海洋生物，如可以偽裝成海蛇、蓑鲉、蛇尾、比目魚?？⑺?、獅子魚和蝦蛄等的外形。
[caption id="attachment_966" align="aligncenter" width="426"]章魚.jpg)
擬態(tài)章魚[/caption]
擬態(tài)章魚由于善于偽裝，一直到1998年才在印尼蘇拉威西島的河口水域被發(fā)現(xiàn)和分辨出來。這種聰明的生物通常只長到60 cm長，全身有黑白相間的條紋。與其他章魚一樣，擬態(tài)章魚有八只觸手，同時，他們表皮上有一種叫chromatophores的色包，靠一個復(fù)雜的肌肉網(wǎng)絡(luò)控制。
擬態(tài)章魚生活在15米以內(nèi)的淺水沙地，通常在河口水域。在這種水域里，有很多貝殼、蝦蟹等擬態(tài)章魚喜歡的食物，同時大型覓食者如鯊魚、梭魚也經(jīng)常來臨，這種無骨、無刺、無毒的生物在這里沒有地方躲避這些掠食者，因而模擬出有毒的生物海蛇和蓑鲉以避免厄運(yùn)降臨。所以說擬態(tài)章魚的模擬本領(lǐng)是它們的生存策略之一。
擬態(tài)章魚的身體有數(shù)萬個色袋，叫作“色包”，色包含色素，并靠色素 (顏色) 來表現(xiàn)多種色度。通過放松或收縮色袋，擬態(tài)章魚僅用不到1秒就能讓自身與任何背景顏色及圖案相一致。同時，其他的肌肉還能改變章魚的皮膚構(gòu)造。結(jié)合偽裝技巧，一條擬態(tài)章魚片刻間就能從一個平滑的沙海底或巖石的暗礁下“消失”。善于模仿的擬態(tài)章魚可以將它的身體形狀和色度改變成其他動物的模樣，例如把自身的顏色變成獅子魚的斑紋，然后利用它的8條腕臂大膽地展開游泳，就像獅子魚有毒的背骨；它還可以把它的頭和7條臂集中起來變成三角形的刺魟形狀滑入海底，而它的第8條腕臂在后面裝成尾部；它也可藏在沙堆的頂部，腕臂呈“之”字形伸展，形成一條巨大的有毒海蛇模樣。
3、幾個關(guān)于“擬態(tài)”名詞的說明
擬態(tài)計(jì)算（mimic computing）：以實(shí)現(xiàn)高效能計(jì)算為目的，計(jì)算結(jié)構(gòu)作為高階函數(shù)，在任務(wù)處理的全過程中通過感知自變量動態(tài)的選擇或生成應(yīng)用問題的最佳解算結(jié)構(gòu)集合。計(jì)算結(jié)構(gòu)的函數(shù)化是擬態(tài)計(jì)算的本質(zhì)。
擬態(tài)變換（mimic change）：由具有感知和認(rèn)知的可逆元結(jié)構(gòu)變形或派生子結(jié)構(gòu)或子結(jié)構(gòu)集合的方式稱之為擬態(tài)變換。
擬態(tài)安全（mimic security）：以提高運(yùn)行環(huán)境或執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不確定性為目標(biāo)，以計(jì)算或處理結(jié)構(gòu)功能等價條件的主動跳變或遷移實(shí)現(xiàn)擬態(tài)環(huán)境，以防御者可控的方式隨機(jī)的改變系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，對攻擊者則表現(xiàn)為難以觀察和預(yù)測的目標(biāo)變化，因而能從體系結(jié)構(gòu)技術(shù)層面降低由病毒和木馬或漏洞及后門引發(fā)的安全風(fēng)險。以擬態(tài)計(jì)算為基礎(chǔ)，改變系統(tǒng)執(zhí)行或運(yùn)行環(huán)境的靜態(tài)性、確定性和相似性是擬態(tài)安全的本質(zhì)。
擬態(tài)計(jì)算機(jī)（Mimic Computer）：按照擬態(tài)計(jì)算原理構(gòu)造的計(jì)算機(jī)稱為擬態(tài)計(jì)算機(jī)，是一種基于認(rèn)知可改變結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)，其處理架構(gòu)會根據(jù)任務(wù)、資源、服務(wù)質(zhì)量、安全要求、時效性等的不同，變換成盡可能合適的結(jié)構(gòu)形態(tài)以獲得高的處理效能。
4、擬態(tài)計(jì)算機(jī)的工作原理
擬態(tài)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)靈感來自于擬態(tài)章魚。通過多年堅(jiān)持不懈的原創(chuàng)性研究，融合仿生學(xué)、認(rèn)知科學(xué)和現(xiàn)代信息技術(shù)，中國科學(xué)家首次提出一種基于擬態(tài)計(jì)算的主動認(rèn)知可重構(gòu)體系結(jié)構(gòu)，根據(jù)這一理論，研制出擬態(tài)計(jì)算機(jī)的原理樣機(jī)。
[caption id="attachment_967" align="aligncenter" width="410"]計(jì)算機(jī)2.jpg)
擬態(tài)計(jì)算機(jī)[/caption]
擬態(tài)計(jì)算機(jī)堪稱“變形金剛”。一般計(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)的結(jié)構(gòu)動態(tài)可變，“靠變結(jié)構(gòu)、軟硬件結(jié)合計(jì)算”。針對用戶不同的應(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。
基于普通結(jié)構(gòu)的高性能計(jì)算機(jī)雖然運(yùn)算速度驚人，但實(shí)用效能不足10%，因?yàn)檫\(yùn)算過程僅使用單一計(jì)算結(jié)構(gòu)處理所有應(yīng)用問題。擬態(tài)計(jì)算機(jī)突破了這一瓶頸，能夠?qū)崿F(xiàn)更高效能的運(yùn)算。測試表明，通過驗(yàn)收的首臺擬態(tài)計(jì)算機(jī)典型應(yīng)用的能效，比一般計(jì)算機(jī)可提升十幾倍到上百倍。
受自然界最為奇妙的“偽裝大師”——擬態(tài)章魚的啟發(fā)，我國科學(xué)家融合仿生學(xué)、認(rèn)知科學(xué)和現(xiàn)代信息技術(shù)，提出擬態(tài)計(jì)算新理論，于2013年成功研制出世界首臺結(jié)構(gòu)動態(tài)可變的擬態(tài)計(jì)算機(jī)（Mimic Computer）。
[caption id="attachment_965" align="aligncenter" width="300"]
擬態(tài)計(jì)算機(jī)[/caption]
擬態(tài)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)靈感來自于擬態(tài)章魚。擬態(tài)章魚是自然界最為奇妙的“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。
擬態(tài)計(jì)算機(jī)堪稱“變形金剛”。目前一般所用的計(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)的結(jié)構(gòu)動態(tài)可變，“靠變結(jié)構(gòu)、軟硬件結(jié)合計(jì)算”。針對用戶不同的應(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)的研制成功，不僅是我國高效能計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的突破，使我國計(jì)算機(jī)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)從跟隨創(chuàng)新到引領(lǐng)創(chuàng)新、從集成創(chuàng)新到原始創(chuàng)新的跨越；同時也是我國主動防御體系研究的重大創(chuàng)新，可從體系技術(shù)層面有效破解我國自主可控戰(zhàn)略在全球一體化時代背景下核心電子器材、高端通用芯片、基礎(chǔ)軟件產(chǎn)品等軟硬件長期受制于人的困局，因此具有重要戰(zhàn)略意義。
經(jīng)驗(yàn)收、測試表明，擬態(tài)計(jì)算機(jī)典型應(yīng)用的能效，比一般計(jì)算機(jī)可提升十幾倍到上百倍，高效能特點(diǎn)顯著。
借助擬態(tài)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)動態(tài)可變的思想，我國科學(xué)家還提出了“擬態(tài)安全”的新概念，可大大提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的安全性，降低病毒和木馬的危害性。
2、擬態(tài)章魚簡介
擬態(tài)章魚，自然界中頂級偽裝高手。這種身體非常軟的動物可以任意改變顏色和形狀，正常體色是帶著斑點(diǎn)的褐色，可模擬各種環(huán)境和其他海洋生物，如可以偽裝成海蛇、蓑鲉、蛇尾、比目魚?？⑺?、獅子魚和蝦蛄等的外形。
[caption id="attachment_966" align="aligncenter" width="426"]
擬態(tài)章魚[/caption]
擬態(tài)章魚由于善于偽裝，一直到1998年才在印尼蘇拉威西島的河口水域被發(fā)現(xiàn)和分辨出來。這種聰明的生物通常只長到60 cm長，全身有黑白相間的條紋。與其他章魚一樣，擬態(tài)章魚有八只觸手，同時，他們表皮上有一種叫chromatophores的色包，靠一個復(fù)雜的肌肉網(wǎng)絡(luò)控制。
擬態(tài)章魚生活在15米以內(nèi)的淺水沙地，通常在河口水域。在這種水域里，有很多貝殼、蝦蟹等擬態(tài)章魚喜歡的食物，同時大型覓食者如鯊魚、梭魚也經(jīng)常來臨，這種無骨、無刺、無毒的生物在這里沒有地方躲避這些掠食者，因而模擬出有毒的生物海蛇和蓑鲉以避免厄運(yùn)降臨。所以說擬態(tài)章魚的模擬本領(lǐng)是它們的生存策略之一。
擬態(tài)章魚的身體有數(shù)萬個色袋，叫作“色包”，色包含色素，并靠色素 (顏色) 來表現(xiàn)多種色度。通過放松或收縮色袋，擬態(tài)章魚僅用不到1秒就能讓自身與任何背景顏色及圖案相一致。同時，其他的肌肉還能改變章魚的皮膚構(gòu)造。結(jié)合偽裝技巧，一條擬態(tài)章魚片刻間就能從一個平滑的沙海底或巖石的暗礁下“消失”。善于模仿的擬態(tài)章魚可以將它的身體形狀和色度改變成其他動物的模樣，例如把自身的顏色變成獅子魚的斑紋，然后利用它的8條腕臂大膽地展開游泳，就像獅子魚有毒的背骨；它還可以把它的頭和7條臂集中起來變成三角形的刺魟形狀滑入海底，而它的第8條腕臂在后面裝成尾部；它也可藏在沙堆的頂部，腕臂呈“之”字形伸展，形成一條巨大的有毒海蛇模樣。
3、幾個關(guān)于“擬態(tài)”名詞的說明
擬態(tài)計(jì)算（mimic computing）：以實(shí)現(xiàn)高效能計(jì)算為目的，計(jì)算結(jié)構(gòu)作為高階函數(shù)，在任務(wù)處理的全過程中通過感知自變量動態(tài)的選擇或生成應(yīng)用問題的最佳解算結(jié)構(gòu)集合。計(jì)算結(jié)構(gòu)的函數(shù)化是擬態(tài)計(jì)算的本質(zhì)。
擬態(tài)變換（mimic change）：由具有感知和認(rèn)知的可逆元結(jié)構(gòu)變形或派生子結(jié)構(gòu)或子結(jié)構(gòu)集合的方式稱之為擬態(tài)變換。
擬態(tài)安全（mimic security）：以提高運(yùn)行環(huán)境或執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不確定性為目標(biāo)，以計(jì)算或處理結(jié)構(gòu)功能等價條件的主動跳變或遷移實(shí)現(xiàn)擬態(tài)環(huán)境，以防御者可控的方式隨機(jī)的改變系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，對攻擊者則表現(xiàn)為難以觀察和預(yù)測的目標(biāo)變化，因而能從體系結(jié)構(gòu)技術(shù)層面降低由病毒和木馬或漏洞及后門引發(fā)的安全風(fēng)險。以擬態(tài)計(jì)算為基礎(chǔ)，改變系統(tǒng)執(zhí)行或運(yùn)行環(huán)境的靜態(tài)性、確定性和相似性是擬態(tài)安全的本質(zhì)。
擬態(tài)計(jì)算機(jī)（Mimic Computer）：按照擬態(tài)計(jì)算原理構(gòu)造的計(jì)算機(jī)稱為擬態(tài)計(jì)算機(jī)，是一種基于認(rèn)知可改變結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)，其處理架構(gòu)會根據(jù)任務(wù)、資源、服務(wù)質(zhì)量、安全要求、時效性等的不同，變換成盡可能合適的結(jié)構(gòu)形態(tài)以獲得高的處理效能。
4、擬態(tài)計(jì)算機(jī)的工作原理
擬態(tài)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)靈感來自于擬態(tài)章魚。通過多年堅(jiān)持不懈的原創(chuàng)性研究，融合仿生學(xué)、認(rèn)知科學(xué)和現(xiàn)代信息技術(shù)，中國科學(xué)家首次提出一種基于擬態(tài)計(jì)算的主動認(rèn)知可重構(gòu)體系結(jié)構(gòu)，根據(jù)這一理論，研制出擬態(tài)計(jì)算機(jī)的原理樣機(jī)。
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擬態(tài)計(jì)算機(jī)[/caption]
擬態(tài)計(jì)算機(jī)堪稱“變形金剛”。一般計(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)的結(jié)構(gòu)動態(tài)可變，“靠變結(jié)構(gòu)、軟硬件結(jié)合計(jì)算”。針對用戶不同的應(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。
基于普通結(jié)構(gòu)的高性能計(jì)算機(jī)雖然運(yùn)算速度驚人，但實(shí)用效能不足10%，因?yàn)檫\(yùn)算過程僅使用單一計(jì)算結(jié)構(gòu)處理所有應(yīng)用問題。擬態(tài)計(jì)算機(jī)突破了這一瓶頸，能夠?qū)崿F(xiàn)更高效能的運(yùn)算。測試表明，通過驗(yàn)收的首臺擬態(tài)計(jì)算機(jī)典型應(yīng)用的能效，比一般計(jì)算機(jī)可提升十幾倍到上百倍。