关于作者
一个毕业于北京大学数学力学系，在中国科学院计算所、计算中心和网络中心工作过，在澳大利亚科工组织DMS、香港浸会学院数学系和中国21世纪议程管理中心等处工作过，多次获国家和中科院科技奖并享受政府特殊津贴的退休老头。现在在【中国科普博览】网“科学新语林”栏目里开设一个《数学与计算机》的个人专栏，愿和爱好数学与计算机的各界网友和青少年朋友，谈谈对数学与计算机的看法、想法。
拟态计算机（1）
张建中
2013年11月27日
1、什么是拟态计算机？
受自然界最为奇妙的“伪装大师”——拟态章鱼的启发，我国科学家融合仿生学、认知科学和现代信息技术，提出拟态计算新理论，于2013年成功研制出世界首台结构动态可变的拟态计算机（Mimic Computer）。
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拟态计算机[/caption]
拟态计算机的设计灵感来自于拟态章鱼。拟态章鱼是自然界最为奇妙的“伪装大师”，它能扭曲身体和触手，改变颜色，模仿至少十五种动物的外表和行为。
拟态计算机堪称“变形金刚”。目前一般所用的计算机“结构固定不变、靠软件编程计算”，而拟态计算机的结构动态可变，“靠变结构、软硬件结合计算”。针对用户不同的应用需求，拟态计算机可通过改变自身结构提高效能。
拟态计算机的研制成功，不仅是我国高效能计算机体系结构的突破，使我国计算机领域实现从跟随创新到引领创新、从集成创新到原始创新的跨越；同时也是我国主动防御体系研究的重大创新，可从体系技术层面有效破解我国自主可控战略在全球一体化时代背景下核心电子器材、高端通用芯片、基础软件产品等软硬件长期受制于人的困局，因此具有重要战略意义。
经验收、测试表明，拟态计算机典型应用的能效，比一般计算机可提升十几倍到上百倍，高效能特点显著。
借助拟态计算机结构动态可变的思想，我国科学家还提出了“拟态安全”的新概念，可大大提高计算机系统的安全性，降低病毒和木马的危害性。
2、拟态章鱼简介
拟态章鱼，自然界中顶级伪装高手。这种身体非常软的动物可以任意改变颜色和形状，正常体色是带着斑点的褐色，可模拟各种环境和其他海洋生物，如可以伪装成海蛇、蓑鲉、蛇尾、比目鱼海葵、水母、狮子鱼和虾蛄等的外形。
[caption id="attachment_966" align="aligncenter" width="426"]
拟态章鱼[/caption]
拟态章鱼由于善于伪装，一直到1998年才在印尼苏拉威西岛的河口水域被发现和分辨出来。这种聪明的生物通常只长到60 cm长，全身有黑白相间的条纹。与其他章鱼一样，拟态章鱼有八只触手，同时，他们表皮上有一种叫chromatophores的色包，靠一个复杂的肌肉网络控制。
拟态章鱼生活在15米以内的浅水沙地，通常在河口水域。在这种水域里，有很多贝壳、虾蟹等拟态章鱼喜欢的食物，同时大型觅食者如鲨鱼、梭鱼也经常来临，这种无骨、无刺、无毒的生物在这里没有地方躲避这些掠食者，因而模拟出有毒的生物海蛇和蓑鲉以避免厄运降临。所以说拟态章鱼的模拟本领是它们的生存策略之一。
拟态章鱼的身体有数万个色袋，叫作“色包”，色包含色素，并靠色素 (颜色) 来表现多种色度。通过放松或收缩色袋，拟态章鱼仅用不到1秒就能让自身与任何背景颜色及图案相一致。同时，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”。善于模仿的拟态章鱼可以将它的身体形状和色度改变成其他动物的模样，例如把自身的颜色变成狮子鱼的斑纹，然后利用它的8条腕臂大胆地展开游泳，就像狮子鱼有毒的背骨；它还可以把它的头和7条臂集中起来变成三角形的刺魟形状滑入海底，而它的第8条腕臂在后面装成尾部；它也可藏在沙堆的顶部，腕臂呈“之”字形伸展，形成一条巨大的有毒海蛇模样。
3、几个关于“拟态”名词的说明
拟态计算（mimic computing）：以实现高效能计算为目的，计算结构作为高阶函数，在任务处理的全过程中通过感知自变量动态的选择或生成应用问题的最佳解算结构集合。计算结构的函数化是拟态计算的本质。
拟态变换（mimic change）：由具有感知和认知的可逆元结构变形或派生子结构或子结构集合的方式称之为拟态变换。
拟态安全（mimic security）：以提高运行环境或执行机构的不确定性为目标，以计算或处理结构功能等价条件的主动跳变或迁移实现拟态环境，以防御者可控的方式随机的改变系统体系结构，对攻击者则表现为难以观察和预测的目标变化，因而能从体系结构技术层面降低由病毒和木马或漏洞及后门引发的安全风险。以拟态计算为基础，改变系统执行或运行环境的静态性、确定性和相似性是拟态安全的本质。
拟态计算机（Mimic Computer）：按照拟态计算原理构造的计算机称为拟态计算机，是一种基于认知可改变结构的计算机，其处理架构会根据任务、资源、服务质量、安全要求、时效性等的不同，变换成尽可能合适的结构形态以获得高的处理效能。
4、拟态计算机的工作原理
拟态计算机的设计灵感来自于拟态章鱼。通过多年坚持不懈的原创性研究，融合仿生学、认知科学和现代信息技术，中国科学家首次提出一种基于拟态计算的主动认知可重构体系结构，根据这一理论，研制出拟态计算机的原理样机。
[caption id="attachment_967" align="aligncenter" width="410"]
拟态计算机[/caption]
拟态计算机堪称“变形金刚”。一般计算机“结构固定不变、靠软件编程计算”，而拟态计算机的结构动态可变，“靠变结构、软硬件结合计算”。针对用户不同的应用需求，拟态计算机可通过改变自身结构提高效能。
基于普通结构的高性能计算机虽然运算速度惊人，但实用效能不足10%，因为运算过程仅使用单一计算结构处理所有应用问题。拟态计算机突破了这一瓶颈，能够实现更高效能的运算。测试表明，通过验收的首台拟态计算机典型应用的能效，比一般计算机可提升十几倍到上百倍。
受自然界最为奇妙的“伪装大师”——拟态章鱼的启发，我国科学家融合仿生学、认知科学和现代信息技术，提出拟态计算新理论，于2013年成功研制出世界首台结构动态可变的拟态计算机（Mimic Computer）。
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拟态计算机[/caption]
拟态计算机的设计灵感来自于拟态章鱼。拟态章鱼是自然界最为奇妙的“伪装大师”，它能扭曲身体和触手，改变颜色，模仿至少十五种动物的外表和行为。
拟态计算机堪称“变形金刚”。目前一般所用的计算机“结构固定不变、靠软件编程计算”，而拟态计算机的结构动态可变，“靠变结构、软硬件结合计算”。针对用户不同的应用需求，拟态计算机可通过改变自身结构提高效能。
拟态计算机的研制成功，不仅是我国高效能计算机体系结构的突破，使我国计算机领域实现从跟随创新到引领创新、从集成创新到原始创新的跨越；同时也是我国主动防御体系研究的重大创新，可从体系技术层面有效破解我国自主可控战略在全球一体化时代背景下核心电子器材、高端通用芯片、基础软件产品等软硬件长期受制于人的困局，因此具有重要战略意义。
经验收、测试表明，拟态计算机典型应用的能效，比一般计算机可提升十几倍到上百倍，高效能特点显著。
借助拟态计算机结构动态可变的思想，我国科学家还提出了“拟态安全”的新概念，可大大提高计算机系统的安全性，降低病毒和木马的危害性。
2、拟态章鱼简介
拟态章鱼，自然界中顶级伪装高手。这种身体非常软的动物可以任意改变颜色和形状，正常体色是带着斑点的褐色，可模拟各种环境和其他海洋生物，如可以伪装成海蛇、蓑鲉、蛇尾、比目鱼海葵、水母、狮子鱼和虾蛄等的外形。
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拟态章鱼[/caption]
拟态章鱼由于善于伪装，一直到1998年才在印尼苏拉威西岛的河口水域被发现和分辨出来。这种聪明的生物通常只长到60 cm长，全身有黑白相间的条纹。与其他章鱼一样，拟态章鱼有八只触手，同时，他们表皮上有一种叫chromatophores的色包，靠一个复杂的肌肉网络控制。
拟态章鱼生活在15米以内的浅水沙地，通常在河口水域。在这种水域里，有很多贝壳、虾蟹等拟态章鱼喜欢的食物，同时大型觅食者如鲨鱼、梭鱼也经常来临，这种无骨、无刺、无毒的生物在这里没有地方躲避这些掠食者，因而模拟出有毒的生物海蛇和蓑鲉以避免厄运降临。所以说拟态章鱼的模拟本领是它们的生存策略之一。
拟态章鱼的身体有数万个色袋，叫作“色包”，色包含色素，并靠色素 (颜色) 来表现多种色度。通过放松或收缩色袋，拟态章鱼仅用不到1秒就能让自身与任何背景颜色及图案相一致。同时，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”。善于模仿的拟态章鱼可以将它的身体形状和色度改变成其他动物的模样，例如把自身的颜色变成狮子鱼的斑纹，然后利用它的8条腕臂大胆地展开游泳，就像狮子鱼有毒的背骨；它还可以把它的头和7条臂集中起来变成三角形的刺魟形状滑入海底，而它的第8条腕臂在后面装成尾部；它也可藏在沙堆的顶部，腕臂呈“之”字形伸展，形成一条巨大的有毒海蛇模样。
3、几个关于“拟态”名词的说明
拟态计算（mimic computing）：以实现高效能计算为目的，计算结构作为高阶函数，在任务处理的全过程中通过感知自变量动态的选择或生成应用问题的最佳解算结构集合。计算结构的函数化是拟态计算的本质。
拟态变换（mimic change）：由具有感知和认知的可逆元结构变形或派生子结构或子结构集合的方式称之为拟态变换。
拟态安全（mimic security）：以提高运行环境或执行机构的不确定性为目标，以计算或处理结构功能等价条件的主动跳变或迁移实现拟态环境，以防御者可控的方式随机的改变系统体系结构，对攻击者则表现为难以观察和预测的目标变化，因而能从体系结构技术层面降低由病毒和木马或漏洞及后门引发的安全风险。以拟态计算为基础，改变系统执行或运行环境的静态性、确定性和相似性是拟态安全的本质。
拟态计算机（Mimic Computer）：按照拟态计算原理构造的计算机称为拟态计算机，是一种基于认知可改变结构的计算机，其处理架构会根据任务、资源、服务质量、安全要求、时效性等的不同，变换成尽可能合适的结构形态以获得高的处理效能。
4、拟态计算机的工作原理
拟态计算机的设计灵感来自于拟态章鱼。通过多年坚持不懈的原创性研究，融合仿生学、认知科学和现代信息技术，中国科学家首次提出一种基于拟态计算的主动认知可重构体系结构，根据这一理论，研制出拟态计算机的原理样机。
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拟态计算机[/caption]
拟态计算机堪称“变形金刚”。一般计算机“结构固定不变、靠软件编程计算”，而拟态计算机的结构动态可变，“靠变结构、软硬件结合计算”。针对用户不同的应用需求，拟态计算机可通过改变自身结构提高效能。
基于普通结构的高性能计算机虽然运算速度惊人，但实用效能不足10%，因为运算过程仅使用单一计算结构处理所有应用问题。拟态计算机突破了这一瓶颈，能够实现更高效能的运算。测试表明，通过验收的首台拟态计算机典型应用的能效，比一般计算机可提升十几倍到上百倍。