2012年诺贝尔物理学奖颁给了量子操纵技术，令“量子计算机”再次进入公众视野。除了量子计算机外，科学家们还在探索DNA计算机、纳米计算机、神经元计算机等多种可能。未来计算机不管以哪种形式出现，其目标非常明确：性能提高的同时做到低能耗。在日前举行的“高效能计算机体系结构”国际战略高端论坛上，中国工程院院士邬江兴团队提出一种新概念高效计算机体系结构，引起关注。
能耗是个大问题
为突破“摩尔定律”的极限，除了不断提升集成电路计算机运算效率，各种新型计算机也在科学家脑中酝酿。以量子计算机为例，其基本数据单位依然是比特——0或1。但与传统计算机不同，一个量子比特可以同时表现为0和1，两个量子比特就是00、01、10、11四种状态。以此类推，300个量子比特承载的数据量便可达到2的300次方，超过整个宇宙的原子数量总和，由此带来运算速度的极大提升。
除了提高性能，降低计算机系统能耗更是个棘手问题。据专家介绍，目前国际上高性能计算的主流体系结构，都建立在上世纪40年代冯·诺伊曼的理论之上，随着时代发展已面临不少瓶颈。例如，实际应用性能仅有峰值性能的5%—10%，许多性能被“放空”;用户无法根据实际应用需求自主参与计算控制，实用性差。这两个缺陷导致计算系统能耗高居不下，目前位列世界前10名的高性能计算系统功耗均在数兆瓦以上，相当于一个中等城市公共照明用电的总量。各大互联网公司的数据中心能耗同样惊人，谷歌公司云计算中心每天的耗电量和整个日内瓦市的耗电量相当。如果未来计算机只是简单地做服务器数量叠加，而不考虑能耗问题，其用电成本将是天文数字。
向结构体系动刀
如何让计算机系统实现真正的高效能运算?邬江兴院士大胆选择了向整个计算机体系架构“动刀”，提出了一种全新的“PRCA体系结构”。在这种新体系下，计算机变得更加“聪明”，它不仅能分析、识别各种应用的类型、需要动用的计算资源，还能据此“调兵遣将”，做到“减有余，补不足”。例如，一个由100台服务器组成的数据中心，50台用于处理和电子邮件相关的指令，50台用于提供视频点播服务。在传统的计算架构下，这种任务分派是一成不变的;但在PRCA架构下，如果视频服务过于集中，50台服务器应接不暇，那么原本为邮件服务待命的服务器，也能 “增援”。这样一来，计算机资源的可持续利用率提高，硬件的更新换代频率有可能将不再频繁。由于所有的计算能力都用在“刀刃”上，整个系统能耗也大大降低。
和传统计算机 “铁板一块”的体系架构不同，这种新概念计算机最大的特点是“会认知”、“柔性可变”。当外界指令输入，算核能根据需要组合出不同的CPU、GPU或者存储器结构来支持运算。结构变成什么样子，完全取决于指令的内容。邬江兴院士将此类比为碳原子——碳原子排列结构不同，既可以产生出世界上最坚硬的金刚石，也能够变成较柔软的石墨。
颠覆性创新有待验证
这种动态可变的体系架构，通过软件和硬件的共同创新实现。软件方面包括一系列新型系统，硬件则涉及CPU、存储结构等方面的改革。对于传统计算机体系结构来说，这相当于一次颇具颠覆性的创新，需要进一步实践验证。项目组也坦言，目前学界对此尚有不同看法和意见。但至少有一点已在业内达成基本共识：从具体的应用需求出发，重新设计计算机的结构，实现“智能”调配资源，很可能是未来高效能计算机的发展方向。
据透露，到今年年底，该项目组有望拿出首台原理验证机。根据理论测算，其能效至少比传统体系架构的系统提高10倍以上，有望大大减少各大超级计算机中心、数据中心的能耗成本。对于普通消费者来说，则意味着享受互联网服务的成本有望降低，用户体验得到提升。