本文由半導體產(chǎn)業(yè)縱橫（ID：ICVIEWS）綜合
探針計算機的主要運算系統(tǒng)沒有CPU，而是配備了60個探針計算卡。
近日，一臺歷時二十三年攻關的原創(chuàng)性成果，能夠求解大規(guī)模復雜難解問題的專用計算機探針計算機在京研制成功并通過專家組鑒定。
據(jù)了解，探針計算機由北京工商大學計算機與人工智能學院院長許進教授團隊主導研發(fā)，在北京工商大學研制成功，該計算機的硬件系統(tǒng)由北京工商大學完成，理論計算模型和軟件系統(tǒng)由北京大學、中南大學、廣州大學聯(lián)合研發(fā)。
針對該成果，鑒定委員會指出，其在計算模型、系統(tǒng)架構、拓展性方面均實現(xiàn)重大突破，復雜度與原創(chuàng)性達國際領先，為NP完全問題提供了全新解題路徑。
中國科學院院士、華東師范大學教授何積豐在采訪中表示：“我們認為這是計算模式上的一個突破，是個很大的創(chuàng)新。所以整個鑒定委員會對他的評價說，在跟國際上比較著名的求解器比較，運算性能是遠遠超過他們的。"
專為解決NP完全問題的探針計算機
在計算機科學領域，有一類讓科學家們頭疼不已的“世紀難題”——NP完全問題，其具有一個顯著特征：當問題規(guī)模稍微增大時，所需的計算量就會呈指數(shù)級爆炸增長。
什么是NP完全問題？舉個例子：在北京工作的銷售員小明需要從北京出發(fā)，前往指定的50個城市推銷產(chǎn)品。為了幫公司節(jié)省成本，他必須規(guī)劃出一條經(jīng)過所有城市的最短路線。小明信心滿滿地寫了一個電腦程序，打算通過窮舉所有可能的路線來找到最短路徑。然而，一周過去了，程序依然在運行，沒有任何進展。面對這種情況，小明只好放棄依賴計算機，轉(zhuǎn)而拿起紙筆，開始手動計算。作為第一站的城市有50種選擇，然后從剩下的49個城市中選一個作為第二站，再從剩下的47個城市中選一個，以此類推。可能的路徑共有
15207046600856689021806304083032384422188820784480256000000000000種，足足65位數(shù)。
而且每增加一個城市，可能的路線數(shù)量就會爆炸式增長。問題規(guī)模稍微擴大，計算量就能把電腦壓垮。
探針計算機就是一種專門用來解決大規(guī)模復雜問題（NP完全問題）的新型計算機。探針計算機的計算模型基于探針雜交技術，數(shù)據(jù)在空間自由排布，任意兩個數(shù)據(jù)之間可以直接進行信息處理，其結(jié)構包括數(shù)據(jù)庫、探針庫、數(shù)據(jù)控制器、探針控制器、探針運算、計算平臺、檢測器、真解存儲器及殘支回收器等九個部分。
探針計算機分為連接型和傳遞型兩種，連接型探針計算機擬采用納米顆粒與DNA分子構成的復合材料作為數(shù)據(jù)，以DNA分子作為探針；傳遞型探針計算機則以神經(jīng)遞質(zhì)作為數(shù)據(jù)纖維中的信息，探針由類似生物神經(jīng)系統(tǒng)的“動作電位”實現(xiàn)。
傳統(tǒng)計算機基于圖靈機模型，采用串行計算方式，數(shù)據(jù)處理按順序依次進行，難以高效處理復雜問題。而探針計算機的底層運算邏輯與傳統(tǒng)計算機不同，首創(chuàng)了探針計算模型，突破了傳統(tǒng)圖靈機串行計算限制，實現(xiàn)高并行計算。在實際應用上，探針計算機可以在短時間內(nèi)求解諸如資源調(diào)配、電路布線、列車調(diào)度等眾多大規(guī)模復雜難解問題。
探針計算機研制團隊負責人許進教授表示，“目前當某一個列車出現(xiàn)故障后，都是依靠調(diào)度員的經(jīng)驗進行調(diào)度，因為在短時間電子計算機不能得出最優(yōu)解，一般至少需30分鐘以上。但如果使用探針計算機，就可以在一到兩分鐘找到最優(yōu)解。”
這臺探針計算機的主要運算系統(tǒng)沒有CPU，而是配備了60個探針計算卡，現(xiàn)在它可搜索的空間已經(jīng)達到了3的2048次方。在搜索空間達到3的2000次方的時候，這臺探針計算機的運算速度只用了10.8秒。許進教授表示，如果屋子足夠大，他們還可以配備更多的計算卡，可使探針計算機的運算能力更強。
探針計算機的高性能是如何達成的？許進表示：“探針計算機采用并行計算架構：在控制層，作為“大腦”統(tǒng)籌任務調(diào)度，智能分配計算資源；在光路由層，采用光信號傳輸技術，實現(xiàn)納秒級數(shù)據(jù)交互，較傳統(tǒng)電信號快千倍以上；在探針計算層，由數(shù)十至數(shù)百個計算單元組成“并行矩陣”，每個單元如同獨立“解題探針”，同時對海量可能性進行探索，通過競爭機制篩選最優(yōu)解。”
據(jù)悉，探針計算機性能較傳統(tǒng)方法提升了4個數(shù)量級，即運算速度快了1萬倍。除了軌道交通規(guī)劃之外，該技術已進入氣象預測、蛋白質(zhì)折疊模擬、材料設計等領域的實驗階段。其并行計算能力可加速復雜系統(tǒng)建模，例如優(yōu)化全球氣象模型，提升極端天氣預測精度；解析蛋白質(zhì)三維結(jié)構，助力新藥研發(fā)；設計新型合金材料，縮短研發(fā)周期數(shù)十倍。
正如許進教授所說：“這就像是在計算領域發(fā)現(xiàn)了一條新的高速公路，讓我們能夠以前所未有的速度到達目的地?！?/p>
此外，目前該團隊正在研發(fā)探針計算芯片，倘若芯片替換掉算卡，將大大縮小探針計算機的體積。
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