在科技飞速发展的当今时代，先进计算技术的发展成为推动各领域创新的关键力量。在第二十届中国计算机学会 CCF 全国高性能计算学术年会暨 2024 世界算力博览会上，国家数字交换系统工程技术研究中心主任、中国工程院邬江兴院士发表了题为《开辟高效能先进计算新路径：变结构计算》的精彩演讲，为先进计算技术的未来发展指明了方向。

国家数字交换系统工程技术研究中心主任、中国工程院邬江兴

　　先进计算发展困局与挑战

　　先进计算在发展过程中面临着诸多困境。首先，性能增长与算力需求的矛盾凸显，出现了 “算不完、存不完、传不完” 的问题。随着科技的不断进步，各领域对算力的需求呈爆炸式增长，而现有计算技术的性能提升速度难以满足这一需求。

　　其次，还原论模式导入带宽、时延和单位算力密度的插损。这种传统的计算模式在面对日益复杂的计算任务时，逐渐暴露出其局限性。

　　再者，刚性计算架构造成总体效率低下。尤其是为了支持多应用场景，刚性计算系统导入了太多的虚拟化技术，导致性能损失超过 30%。

　　此外，用电力拼算力的发展范式不可持续。每高半导体十年规划预测到 2035 年信息基础设施将消耗所有能源，这无疑是一场灾难。算力的极限不应是电力，电力无法支持算力的持续发展。

　　最后，存储程序控制机理存在自在性安全矛盾。网络空间的安全问题第一性问题就是存储程序控制机理的自在性矛盾，它既可以通过改变程序做好事，也可以改变程序做恶事。目前内存安全问题突出，但本质上是存储程序控制架构机理存在娘胎里带来的基因缺陷。软件定义功能的泛在化应用使之成为网络空间第一性安全问题。

　　核心问题在于计算架构单一性与算力需求多样性的矛盾。算力需求具有多样性，涵盖不同应用场景、计算环境、任务种类、数据类型、性能需求和安全风险等。然而，计算架构无论是通用架构还是专用架构，都较为单一。这导致了削足适履或各自为政的发展结果，结构性失配成为产生诸多困境的根本原因。

　　邬江兴院士基于技术经济学角度提出了 “不可能三角”，即服务的有效性、资源的复用性与业务多样性之间存在矛盾，同时性能效能和灵活性也形成了 “不可能三角”。任何单一计算结构都不可能同时获得 SMV 完全相交的理想结构。

　　破局之策：必要多样性与超稳定机制

　　为破解先进计算发展的困境，邬江兴院士提出了科学的破局之策。搞技术的人有时忽视科学的指导意义，而《控制论导论》中提到只有多样性才能摧毁多样性。神经科学家威廉姆・罗斯・艾什比提出的 “必要多样性” 理论指出，自然界中只有多样性才能摧毁多样性。生物界、人类社会以及各种组织适应不确定发展的能力是用多样性来保证的。

　　必要多样性是破解多样化算力需求下计算系统结构性失配的根本路径。目前计算机领域陷入了固定结构的惯性轨道，单一性和堆砌复杂性都不满足控制论，无法满足多样性算力需求。推平烟囱搞归一化不可能消除多样性的客观需求，紧耦合强关联会失去灵活性又丧失稳定性。

　　自然界给我们带来了启示。地球有各种各样的生态，其统一性由 97 种自然存在的元素表达，通过各种化合键形成多样性。在先进计算系统中，互联的类型及性质决定多样性与适应性。从通用互联到领域专用互联，从单一互联到多样性互联，实现灵活高效的互联是新课题。

　　邬江兴院士定义的软件定义互联（SDI）是关键。SDI 可以实现协议可定义、可转换，带宽可调整等功能，以柔性韧带来支撑软件定义结构，在不同时间段形成多种结构，适应多种计算任务的不同阶段。2019 年，邬江兴院士的团队已经产生了世界首块软件定义互联芯片 SID3210，它是构成拟态计算的系统基石。

　　基于软件定义互联的变结构计算可以完成资源的动态耦合，实现系统之系统。变结构计算的第一性原理是软件定义的节点加互联，通过软硬件协同控制，表现为基于时间轴的四维时空的积分关系，每个微分片段是多种计算体制、互联体制的共生共存。变结构计算还能破解 “不可能三角”，结构决定功能、效能等一切，只有适配任务需求的结构才能获得最优性能。

　　变结构计算的技术物理实现与未来展望

　　变结构计算的技术物理实现载体是软件定义晶上系统（SDSoW）。21 世纪的新研究范式中，系统论超越了还原论，复杂性理论又超越了系统论，代表着科学方法论的三个梯级。按照钱学森老先生的系统论观点，复杂系统是非线性的，是幂律分布的，1+1 大于 2。

　　变结构计算的实例是邬江兴院士 11 年前发明的世界首台拟态计算机。领域专用软硬件协同计算是计算机体系结构未来十年发展趋势，拟态计算被权威命名。变结构计算工程物理实现是大规模高密度资源集成，软件定义晶上系统是高效结构计算系统在 SMVT 四维空间的新结构。

　　晶圆级规模可以实现超高密度超低插损的组装工艺，基于晶圆级规模高密度低插损的制造工艺，实现异构异质晶圆级规模超高密度集成，才能实现 “低插损或无插损” 系统工程技术路线。软件定义晶上系统性能在同等工艺条件下能提升 4 到 6 个数量级。

　　变结构计算是先进计算发展的新路径，结构决定一切。要开辟晶上计算系统新赛道，实现高阶变结构计算工程物理实现，将结构创新、软硬协同设计与 SoW 结合，体积可缩小一个数量级，性能提高三个数量级。软件定义晶上系统实现形态如爆炸图所示，性能可超越英伟达的 B200。未来，基于晶圆级的云化服务将成为主流。

　　软件定义晶上系统的算力收益在工艺差两代的情况下，仍能与现有传统工艺技术方法相比具有相当甚至更优秀的性能。“十四五” 期间实现技术突破，“十五五” 通过技术迭代优化，技术链和产业链将初具规模。

　　立足国情，先进计算急需发展晶圆级变结构计算，探索结构计算的新路径工程实验方法，抢抓数字产业发展迅速变革的新窗口期，用绿色、智能、安全的变结构计算赋能新质生产力发展。

       邬江兴院士的演讲为先进计算技术的发展带来了深刻的启示和新的方向。在未来，变结构计算有望成为推动各领域创新的强大动力，为我国在先进计算领域实现突破、不被 “卡脖子” 提供有力支撑。