世界第一台探针计算机在北京诞生

本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）综合

探针计算机的主要运算系统没有CPU，而是配备了60个探针计算卡。

近日，一台历时二十三年攻关的原创性成果，能够求解大规模复杂难解问题的专用计算机探针计算机在京研制成功并通过专家组鉴定。

据了解，探针计算机由北京工商大学计算机与人工智能学院院长许进教授团队主导研发，在北京工商大学研制成功，该计算机的硬件系统由北京工商大学完成，理论计算模型和软件系统由北京大学、中南大学、广州大学联合研发。

针对该成果，鉴定委员会指出，其在计算模型、系统架构、拓展性方面均实现重大突破，复杂度与原创性达国际领先，为NP完全问题提供了全新解题路径。

中国科学院院士、华东师范大学教授何积丰在采访中表示：“我们认为这是计算模式上的一个突破，是个很大的创新。所以整个鉴定委员会对他的评价说，在跟国际上比较著名的求解器比较，运算性能是远远超过他们的。"

 专为解决NP完全问题的探针计算机

在计算机科学领域，有一类让科学家们头疼不已的“世纪难题”——NP完全问题，其具有一个显著特征：当问题规模稍微增大时，所需的计算量就会呈指数级爆炸增长。

什么是NP完全问题？举个例子：在北京工作的销售员小明需要从北京出发，前往指定的50个城市推销产品。为了帮公司节省成本，他必须规划出一条经过所有城市的最短路线。小明信心满满地写了一个电脑程序，打算通过穷举所有可能的路线来找到最短路径。然而，一周过去了，程序依然在运行，没有任何进展。面对这种情况，小明只好放弃依赖计算机，转而拿起纸笔，开始手动计算。作为第一站的城市有50种选择，然后从剩下的49个城市中选一个作为第二站，再从剩下的47个城市中选一个，以此类推。可能的路径共有15207046600856689021806304083032384422188820784480256000000000000种，足足65位数。

而且每增加一个城市，可能的路线数量就会爆炸式增长。问题规模稍微扩大，计算量就能把电脑压垮。

探针计算机就是一种专门用来解决大规模复杂问题（NP完全问题）的新型计算机。探针计算机的计算模型基于探针杂交技术，数据在空间自由排布，任意两个数据之间可以直接进行信息处理，其结构包括数据库、探针库、数据控制器、探针控制器、探针运算、计算平台、检测器、真解存储器及残支回收器等九个部分。

探针计算机分为连接型和传递型两种，连接型探针计算机拟采用纳米颗粒与DNA分子构成的复合材料作为数据，以DNA分子作为探针；传递型探针计算机则以神经递质作为数据纤维中的信息，探针由类似生物神经系统的“动作电位”实现。

传统计算机基于图灵机模型，采用串行计算方式，数据处理按顺序依次进行，难以高效处理复杂问题。而探针计算机的底层运算逻辑与传统计算机不同，首创了探针计算模型，突破了传统图灵机串行计算限制，实现高并行计算。在实际应用上，探针计算机可以在短时间内求解诸如资源调配、电路布线、列车调度等众多大规模复杂难解问题。

探针计算机研制团队负责人许进教授表示，“目前当某一个列车出现故障后，都是依靠调度员的经验进行调度，因为在短时间电子计算机不能得出最优解，一般至少需30分钟以上。但如果使用探针计算机，就可以在一到两分钟找到最优解。”

这台探针计算机的主要运算系统没有CPU，而是配备了60个探针计算卡，现在它可搜索的空间已经达到了3的2048次方。在搜索空间达到3的2000次方的时候，这台探针计算机的运算速度只用了10.8秒。许进教授表示，如果屋子足够大，他们还可以配备更多的计算卡，可使探针计算机的运算能力更强。

探针计算机的高性能是如何达成的？许进表示：“探针计算机采用并行计算架构：在控制层，作为“大脑”统筹任务调度，智能分配计算资源；在光路由层，采用光信号传输技术，实现纳秒级数据交互，较传统电信号快千倍以上；在探针计算层，由数十至数百个计算单元组成“并行矩阵”，每个单元如同独立“解题探针”，同时对海量可能性进行探索，通过竞争机制筛选最优解。”

据悉，探针计算机性能较传统方法提升了4个数量级，即运算速度快了1万倍。除了轨道交通规划之外，该技术已进入气象预测、蛋白质折叠模拟、材料设计等领域的实验阶段。其并行计算能力可加速复杂系统建模，例如优化全球气象模型，提升极端天气预测精度；解析蛋白质三维结构，助力新药研发；设计新型合金材料，缩短研发周期数十倍。

正如许进教授所说：“这就像是在计算领域发现了一条新的高速公路，让我们能够以前所未有的速度到达目的地。”

此外，目前该团队正在研发探针计算芯片，倘若芯片替换掉算卡，将大大缩小探针计算机的体积。

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