科技日报记者 华 凌 孙明源
近日，由中国电子学会组织的“求解NP-完全问题的专用计算机——探针计算机”科技成果鉴定会在北京工商大学召开。由中国科学院院士、华东师范大学何积丰领衔的鉴定委员会对北京工商大学计算机与人工智能学院院长许进团队联合北京大学等团队研发的成果进行全面评估。鉴定委员会一致认定，该成果研制难度大、原创性强、复杂度高，探针计算机计算模型、三级异构架构、转编系统等关键技术达国际领先水平。
探针计算机的应用效果究竟如何？“以前铁路网出现突发情况需要调整线路时，调度员半小时都协调不了新路线。应用探针计算机后，几分钟不到，几千个轨道节点的调度方案就被算得明明白白，效率明显提升，而且耗电量还大幅减少。”许进在接受科技日报记者采访时介绍道。
运算速度提升1万倍
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”——求解大规模复杂难解问题（NP-完全问题）。NP-完全问题具有一个显著特征：当问题规模稍微增大时，所需的计算量就会呈指数级增长。这就像试图解开一个超级复杂的魔方：每增加一个方块，可能的组合方式就会急剧增长。NP-完全问题看似离生活很远，却实实在在影响着未来天气预报、物流效率甚至城市交通。因其计算复杂度极高，一直制约着诸多关键领域的发展。探针计算机的出现，为解决这类世界级难题带来新契机。
许进介绍，传统计算机在处理NP-完全问题时，往往力不从心。就像用算盘来计算卫星轨道一样，虽然理论上可行，但实际上效率太低。这也正是探针计算机的突破所在——它找到了一种全新的计算模式来解决这些棘手问题。
研究团队公布的测试数据显示，探针计算机在求解“图的3着色问题”方面表现优异，其性能较传统方法提升了4个数量级，即运算速度快了整整1万倍。“图的3着色问题”简单说就是给一张有2000个顶点的图染色，要求相邻顶点颜色不同，并且用的颜色数最少。探针计算机仅需54秒即可完成。同样的计算任务，使用当前国际主流的Gurobi求解器计算半个月仍难以得到答案。
这一突破性进展的意义不仅在于速度的提升，更在于它为求解NP-完全问题提供了新的途径。正如许进所说：“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。”
许进介绍，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。
这种“让数据自己找答案”的模式，为复杂计算问题提供了全新的解决思路。
具有广阔应用空间
据了解，探针计算机的研发由理论、软件及硬件三部分构成，其中理论与软件部分由北京大学联合中南大学和广州大学完成，硬件部分由北京工商大学完成。
目前，探针计算机已经有了原型机——EPC60系统。然而，许进团队没有满足于此。“这才是开始，以后这个计算机能帮人类解决更多麻烦事。”许进说，团队的下一步计划是让更多人可以使用探针计算机。
据了解，科研人员为了让机器更能“扛活”，他们将探针计算机的并行单元从60个升级到1000个，并通过给不同行业设计“定制探针计算机”，研发了服务于银行风险预测、天气预测、科学研究等的专用探针计算机。
例如，为了更好地理解蛋白质的功能，科学家们需要对蛋白质结构进行预测，即用计算机算出一串氨基酸“字母”折叠成的3D形状，这直接决定其是否可治病或致病。而蛋白质像一团由上千个小零件（氨基酸）组成的“分子折纸”，要找出它折叠后的正确形状，相当于在银河系里找到一粒特定的沙子。面对如此浩瀚的计算任务，传统计算机需要一个一个试。而探针计算机的计算原理犹如派出几百万只“纳米机器人”，可同时探索所有可能的折叠路径。基于探针计算机的蛋白质专用计算架构，复杂蛋白质折叠的预测有望大幅提速。
而在中医药方剂研发中，寻找最优药物配伍组合面临巨大挑战。中药间的相互作用复杂多变，加上剂量调整带来的变量，使得可能的组合数量呈指数级增长，远超传统试错方法的计算极限。未来，探针计算机可凭借其超强的并行计算能力，在极短时间内完成海量搜索，用于新方剂法和经典方剂优化，大幅缩短药物研发周期，推动中医药从经验探索迈向精准计算时代。或许在不久的将来，探针计算机还会像手机一样常见，让人们的生活更方便、更智能。
