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2018年08月

计算机界的“善变的章鱼”——拟态计算机

来源:科普中国   作者:

  在自然界中,有一种顶级的伪装高手--拟态章鱼。它的正常体态和普通章鱼别无二致,正常体色是带着斑点的褐色,但一旦发现危险,它可以任意改变形状和颜色,有毒的鳎目鱼、狮子鱼、海蛇、海葵到水母,它都能模仿得惟妙惟肖。当然,拟态除了躲避危险,还可以被用在捕食过程中:它会伪装成螃蟹的配偶,趁追求者不备,一口吞掉可怜的被骗者。这使它能享受到一般章鱼享不到的“口福”,就是像枯叶蝶、变色龙等伪装高手,在形态颜色都能随意变化的拟态章鱼面前,都只能自愧不如。 

    

      拟态章鱼模仿海蛇(百度百科) 

  靠着这一绝技,这种身长只有60厘米,无骨、无刺、无毒的生物在富饶的印度尼西亚和马来西亚的河口海湾浅水沙地无声无息地生活着。直到1988年,它们才被人在印尼苏拉威西岛的河口水域发现和分辨出来。经过研究人们发现,拟态章鱼成为伪装高手最重要的工具有两个: 

  第一,色包。拟态章鱼身上有许多被科学家成为“色包”的色素细胞,总数达几万之巨,每个色素细胞都呈三原色中的一种,并都包含一个环状肌肉包围的色素颗粒弹性囊,当大脑通过神经系统发出命令时,环状肌肉伸展或收缩,使色素细胞的颜色发生变化。拟态章鱼可以仅用不到1秒就能让自身与任何背景颜色及图案相一致,真是神乎其技! 

  第二,拟态章鱼全身由鲜嫩柔软的肌肉组成,遇到变形需求时,它能迅速改变形态,让自己与被拟态物高度从形状上高度形似。其他的肌肉还能改变章鱼的皮肤构造。结合伪装技巧,一条拟态章鱼片刻间就能从一个平滑的沙海底或岩石的暗礁下“消失”。 

    

和海沙融为一体的拟态章鱼(网络图) 

  受拟态章鱼的启发,20139月,中国工程院院士邬江兴带领科研团队,在科技部和上海市政府联合支持下,联合国内外十余家单位,聚合500余名研究人员,历时6年潜心研究成了世界首台结构动态可变的拟态计算机。这一成果融合了仿生学、认知科学和现代信息技术,并提出拟态计算的新理论。这一理论的核心思想就是:计算机基于任务需要,由元结构组合出多种应用目标结构等来支持不同运算,需要多少就组合多少,不浪费资源。 

  2013921日,这项名为“新概念高效能计算机体系结构及系统研究开发”的项目在上海通过了国家863计划项目验收专家组的验收。 

    

邬江兴院士(网络图) 

  与传统计算机相比,拟态计算机有两大明显优势: 

  第一、效能高、能耗低 

  1946214日,世界上第一台电脑ENIAC在美国宾夕法尼亚大学诞生。如今,经过几十年的发展,计算机的外形、计算能力等都有了飞速的进步。与此同时,其结构却数十年没有变化,依然遵循着1949年推出的冯·诺依曼“经典结构”,即包含运算器、控制器、存储器、输入输出设备等五大部件。经典结构的最大特点就是通用,这无疑是把双刃剑,遇山开山、遇水搭桥固然好,可很多时候,却会面临“杀鸡用牛刀”的尴尬。 

  目前提高计算机运行速度的手段主要靠增加“核”,普通手机动辄4核、6核、8核,更别提那些运算能力超强的计算机了。但同时,用户普通应用中真正使用到的却很可能只是不到1个核,,一般很少有让几百万个“核”同时运转的时候。据统计,目前世界上TOP500排行榜上的计算机,绝大部分应用的实际使用效率不到10% 

  拟态计算机则很好地解决了这一矛盾:它采用可变的架构。在碰到甲问题时,可采用适合甲的解算结构;遇到乙问题时,可转换为适合乙的解算结构。简单地说就是干什么活,用什么架构。通过这种更加智能化的配置,拟态计算机的效能可以比一般计算机提升十几倍甚至上百倍。 

    

拟态计算机(中国电子网) 

  节能是拟态计算机的另一大特点。 

  随着大数据、云计算的发展,人们在享受计算机带来便利的同时,却尴尬地发现,好多时候陷入了“用不起”的状况。这绝不是危言耸听。据专业数据统计,目前中国所有数据中心的能耗已经相当于整个天津市的耗电量(2013年数据)!在世界范围内,这也是个难题。即使财大气粗如谷歌,为了减少电传输成本,也在达拉斯的水电站兴建了世界上最大、性能最好的数据中心。即使如此,该中心全部投入使用后,耗电量为103兆瓦与瑞士日内瓦相当! 

  而拟态计算机通过可变的体系和处理结构,功耗被减少了90% 

  第二、提高破解难度,让黑客无从下手 

  20136月,前中情局(CIA)职员爱德华·斯诺登通过媒体披露了美国国家安全局的一项代号为"棱镜"的秘密项目。通过该项目,在过去6年间,美国国家安全局和联邦调查局通过进入微软、谷歌、苹果、雅虎等九大网络巨头的服务器,监控美国公民的电子邮件、聊天记录、视频及照片等秘密资料。 

      

关于“棱镜门”丑闻的新闻报道(网络图) 

  消息传出,不但美国国民人人自危,也让远在大洋彼岸的中国人对网络安全忧心忡忡。能不能从此只使用国产软硬件?我国在芯片、路由器、操作系统等设备上的研发能力还不足以满足人们的需求。丢不掉依赖,只能另想办法。 

  拟态计算机的出现,为我们构筑计算机安全屏障提供了另一种思路:从体系上来增加安全性。 

  通常,传统计算机采取相对固定的模式,如采用Windows操作系统或Oracle数据库,有规律可循就给黑客寻找漏洞,研究病毒提供了方向和着手点。拟态计算机的系统软硬件可以人为控制变化,这种不固定性让黑客们的攻击无从下手。据专家介绍,目前,拟态计算机已经有了5~6种变化,再加上不同的时间轴,变化形态就更加多样化,增强安全性绝非空谈。 

  感谢科学家们的辛勤研究,毫无疑问,拟态计算机的成功研制使人们有理由期待高效能计算机时代的早日来临。

文章转载自科普中国