基本介紹
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概念背景
1. 高性能計算功耗之殤
高性能計算（High Performance Computing，HPC）是計算機科學與工程的一個重要分支，其套用涉及核武器研究、核材料儲存仿真、石油勘探、生物信息技術、醫療和新藥研究、計算化學、氣象、天氣和災害預報、工業過程改進和環境保護等領域，已經成為推動科技創新、社會進步的重要工具。
然而，近年來一個無法忽視的重要事實是，高性能計算機的功耗巨大，不但運行成本高，而且帶來散熱、可靠性、可維性、可用性等一系列問題。究其原因，超算面臨的挑戰首先是功耗控制難（圖1），現有IC工藝水平和此前相比，並沒有根本性的改善。功耗成為工程實現挑戰性問題的同時（圖2），套用的經濟性問題也隨之凸顯。例如，“天河二號”一年僅電費就要1億元人民幣左右，如果全速運行，電費更高達1.5億元。
2. 擬態計算初衷
常識告訴我們，一個問題往往存在多個不同的解決或實現方案，每個方案的計算性能和運行效能也大不相同。若能在恰當的場合、恰當的時機選擇恰當的實現方案或算法，就可能在給定約束條件下逼近計算效能的最優值。
在當今技術和工藝可接受的成本條件下，軟硬體系統也可以由事先設計好的多種功能等價、效能不同的執行變體或計算方案中智慧型化地選擇生成。實際運行中，系統可以根據套用需求，在恰當的場合、恰當的時機，選擇恰當的方案自動生成計算或執行環境，通過基於主動認知的動態變結構軟硬體協同計算獲得比純軟體算法更高的能效比（圖3）。正在發展之中的可重構計算、CPU+FPGA融合架構、軟體定義硬體(SDH) 以及領域專用軟硬體協同計算（DSAs）都可能很好地支持這一想法。
變結構計算的期望
研究者把這種功能等價條件下，包含多種軟體和硬體變體或基礎模組的多維動態重構函式化體系結構，稱之為擬態架構計算(Mimic Structure Calculation，MSC)，簡稱擬態計算。
概念內容
MSC並不企圖獨立地構建任何高效能的計算系統，也不排除器件工藝進步和材料技術或資源管理等引入的節能降耗增益，更不拒絕最佳化軟體算法提高計算效能的益處，而是要藉助“套用決定結構、結構決定效能”的公理，通過基於認知決策的多維動態重構機制組成相應的運算結構、執行環境或計算模式，達成系統運行能效最最佳化的目標。
功能等價條件下的多維動態變結構協同計算就是一種有效性已被證明的“結構適應套用”的實現途徑，大致經歷了三個演進階段：可變結構又稱異構計算(CPU+XPU+ FPGA)；變計算模式計算，即在多個設定的計算模式間進行動態選擇性切換或遷移；擬態化環境計算，即根據一組確定的結構方案集合，由一個元結構池智慧型化地生成或變換所需的計算環境，如擬態構造計算環境形象表達圖所示。擬態架構計算一般包含有N個計算性能或效能不同但功能等價的計算構件組成的元結構，一個能夠通過運行環境參數策略選取元結構中合適計算構件的智慧型調度器，以及一個在結構粒度、結構層次、時間維度上可實時重構的運算結構（按照模板動態生成的實體計算環境）。不難看出，擬態架構計算通過功能等價條件下的動態變結構和軟硬體協同計算可以同時獲得處理的高性能和高效能。
擬態構造計算環境形象表達
圖集中為典型的擬態化重構體系，包括處理器級擬態重構、存儲級擬態重構和互連網路級擬態重構。針對不同套用的差異化處理需求，基本處理(可能為領域專用)運算元通過擬態化重構，成為適配套用特定處理要求的粒度可變、數量可變、結構可變的處理構件；基本的存儲單元通過擬態化重構，成為最適合於特定套用存儲需求的種類和容量可變、結構可變、編址及訪問模式可變的存儲模組，甚至可以是帶有處理(例如堆疊、數組、指針鍊表等)功能的結構化的存儲構件；基本的網路互連單元通過擬態化重構，成為互連拓撲可變、互連協定可變、互連頻寬可變、傳輸中內容可處理的適合於特定套用互連需求的連線構件。擬態計算的實現要點為，以有限的處理資源、存儲資源、互連資源，通過擬態化重構為特定的軟硬體協同處理場景，在提高資源利用率的同時，減少所需資源總量，增強處理系統資源聯合管理和協同運作的效能。
2008年，國家高技術研究發展計畫（863計畫）將“新概念高效能計算機體系結構及系統研究開發”列為重大科技專項，由國家數字交換系統工程技術研究中心（NDSC）、復旦大學、上海交通大學、同濟大學、中國電子科技集團第32研究所等單位組成的聯合團隊承研，並於2008年啟動原理驗證樣機的研製工作。2013年5月，受國家科技部委託，“天河二號”高性能計算機Linpack測試團隊，選取輸入/輸出密集型的Web服務、計算密集型的N-body問題和存儲密集型的圖像處理問題三種典型套用，500餘種場景，並以同年IBM公司最高性能的伺服器為參照系，對擬態計算原理驗證樣機進行了測試，結果表明擬態計算能效比達到13.6～315倍，有力地詮釋了“結構決定效能”公理的工程實踐意義。
擬態計算架構作為一種創新的領域專用計算架構，開闢了計算機體系研究發展的新方向，必將成為走出摩爾定律和登納德縮比困境的新途徑。ISCA2018大會上，計算機體系結構大師、圖靈獎得主 Petterson，Hennessy共同論文預言，基於軟硬體協同計算語言的領域專用軟硬體協同計算架構，將成為今後十年計算機體系架構的主流發展方向之一。
變結構計算
主動認知動態變結構的擬態計算，能根據不同任務、不同時段、不同負載情況、不同效能要求、不同資源占用狀況等條件或參數，動態地構成與之相適應的解算環境。儘管其初衷只是為了提升系統的處理效能，但在結構變化的同時客觀上也造成了運行環境的非規律性改變，等效地擾亂或瓦解了攻擊鏈所依賴的目標對象運行環境的靜態性、確定性和相似性，使得攻擊鏈失去必要的穩定性條件或環境，客觀上增強了防禦迷霧，增加了攻擊複雜度和成本代價。
從安全防禦角度觀察，擬態計算系統是典型的“時變計算結構”裝置，具有時空動態性和隨機性的內涵與外延。在攻擊者眼裡，擬態計算系統似乎以無規律方式在多樣化、動態化的計算環境間實施基於時間維度的主動跳變或快速遷移，表現出很強的動態性、異構性、隨機性等不確定性防禦特點，其計算環境難以觀察，運行機制難以預測，軟硬體代碼漏洞難以發現與鎖定，從而增大了基於目標對象內生安全問題的攻擊鏈創建難度和利用與保持複雜度。不難推論，凡是異構計算、變計算模式計算與擬態計算等主動變結構計算環境，應該都具有程度不同的視在不確定性以及動態防禦的基本屬性。
令人欣慰的是，近年來計算機體系結構設計缺陷，諸如幽靈漏洞（Spectre）和熔斷漏洞（Meltdown）造成的負面影響，終於使業界認識到體系結構安全性的重要意義，嘗到了幾十年來只關注性能不重視安全的體系結構設計思想的惡果。由於沒能建立起可量化的安全性指標，故而無法實現性能、效能和安全性的聯合最佳化。因此，發展具有安全性能保證的計算機體系結構已經變得十分緊迫。早在2012年，研究者就提出用創新的變結構軟硬體協同計算架構獲得傳統防禦技術無法比擬的內生安全功能之構想。2016年，“擬態防禦原理的驗證系統”通過了國家科技部組織的眾測驗證評估，結果表明“原理驗證系統從功能和性能上完全符合理論預期”，從理論和實踐的結合上證明了4年前極富創意的前瞻性構想之可行性。
發展歷史
2007年10月，國家科技部將“新概念高效能計算機體系架構與原理樣機”列入國家863計畫重大專項項目。
2008年，國家科技部和上海市科學技術委員會決定聯合支持該項目的研發，由國家數字交換系統工程技術研究中心主任鄔江興院士擔任總體組長，復旦大學、上海交通大學、上海大學、同濟大學、上海科技大學、中國電子科技集團第32研究所等十幾個單位參與研究開發。
2013年5月，受國家科技部委託，“天河二號”高性能計算機Linpack測試團隊，選取輸入/輸出密集型的Web服務、計算密集型的N-body問題和存儲密集型的圖像處理問題三種典型套用，500餘種場景，並以同年IBM公司最高性能的伺服器為參照系，對擬態計算原理驗證樣機進行了測試，結果表明擬態計算能效比達到13.6～315倍。
2013年9月，國家科技部組織了由金怡鐮院士為主任的鑑定委員會，對“新概念高效能計算機體系架構與原理樣機”項目進行了驗證鑑定，結論認為：“軟硬體協同領域專用變結構計算體系屬全球首創，在領域專用方面具有顯著的性能優勢，其變結構處理體系可能開闢了解決網路空間安全問題的新途徑。”國內外150多家主要媒體做了報導。
2013年12月，該項成果被中國科學院和中國工程院兩院院士評為當年中國“十大科技進展”之一。
2018年，ISCA年會上，計算機體系結構大師、圖靈獎得主 Petterson，Hennessy共同論文預言，基於軟硬體協同計算語言的領域專用軟硬體協同計算架構DSAs，將成為今後十年計算機體系架構的主流發展方向之一。
