圖為由北京大學和北京工商大學等聯合研制的探針計算機。受訪單位供圖

近日，由中國電子學會組織的“求解NP-完全問題的專用計算機——探針計算機”科技成果鑒定會在北京工商大學召開。由中國科學院院士、華東師范大學何積豐領銜的鑒定委員會對北京工商大學計算機與人工智能學院院長許進團隊聯合北京大學等團隊研發的成果進行全面評估。鑒定委員會一致認定，該成果研制難度大、原創性強、復雜度高，探針計算機計算模型、三級異構架構、轉編系統等關鍵技術達國際領先水平。

探針計算機的應用效果究竟如何？“以前鐵路網出現突發情況需要調整線路時，調度員半小時都協調不了新路線。應用探針計算機后，幾分鐘不到，幾千個軌道節點的調度方案就被算得明明白白，效率明顯提升，而且耗電量還大幅減少。”許進在接受科技日報記者採訪時介紹道。

運算速度提升1萬倍

在計算機科學領域，有一類讓科學家們頭疼不已的“世紀難題”——求解大規模復雜難解問題（NP-完全問題）。NP-完全問題具有一個顯著特征：當問題規模稍微增大時，所需的計算量就會呈指數級增長。這就像試圖解開一個超級復雜的魔方：每增加一個方塊，可能的組合方式就會急劇增長。NP-完全問題看似離生活很遠，卻實實在在影響著未來天氣預報、物流效率甚至城市交通。因其計算復雜度極高，一直制約著諸多關鍵領域的發展。探針計算機的出現，為解決這類世界級難題帶來新契機。

許進介紹，傳統計算機在處理NP-完全問題時，往往力不從心。就像用算盤來計算衛星軌道一樣，雖然理論上可行，但實際上效率太低。這也正是探針計算機的突破所在——它找到了一種全新的計算模式來解決這些棘手問題。

研究團隊公布的測試數據顯示，探針計算機在求解“圖的3著色問題”方面表現優異，其性能較傳統方法提升了4個數量級，即運算速度快了整整1萬倍。“圖的3著色問題”簡單說就是給一張有2000個頂點的圖染色，要求相鄰頂點顏色不同，並且用的顏色數最少。探針計算機僅需54秒即可完成。同樣的計算任務，使用當前國際主流的Gurobi求解器計算半個月仍難以得到答案。

這一突破性進展的意義不僅在於速度的提升，更在於它為求解NP-完全問題提供了新的途徑。正如許進所說：“這就像是在計算領域發現了一條新的高速公路，讓我們能夠以前所未有的速度到達目的地。”

許進介紹，探針計算機採用並行計算架構：在控制層，作為“大腦”統籌任務調度，智能分配計算資源﹔在探針計算層，由數十至數百個計算單元組成“並行矩陣”，每個單元如同獨立“解題探針”，同時對海量可能性進行探索，通過競爭機制篩選最優解。

這種“讓數據自己找答案”的模式，為復雜計算問題提供了全新的解決思路。

具有廣闊應用空間

據了解，探針計算機的研發由理論、軟件及硬件三部分構成，其中理論與軟件部分由北京大學聯合中南大學和廣州大學完成，硬件部分由北京工商大學完成。

目前，探針計算機已經有了原型機——EPC60系統。然而，許進團隊沒有滿足於此。“這才是開始，以后這個計算機能幫人類解決更多麻煩事。”許進說，團隊的下一步計劃是讓更多人可以使用探針計算機。

據了解，科研人員為了讓機器更能“扛活”，他們將探針計算機的並行單元從60個升級到1000個，並通過給不同行業設計“定制探針計算機”，研發了服務於銀行風險預測、天氣預測、科學研究等的專用探針計算機。

例如，為了更好地理解蛋白質的功能，科學家們需要對蛋白質結構進行預測，即用計算機算出一串氨基酸“字母”折疊成的3D形狀，這直接決定其是否可治病或致病。而蛋白質像一團由上千個小零件（氨基酸）組成的“分子折紙”，要找出它折疊后的正確形狀，相當於在銀河系裡找到一粒特定的沙子。面對如此浩瀚的計算任務，傳統計算機需要一個一個試。而探針計算機的計算原理猶如派出幾百萬隻“納米機器人”，可同時探索所有可能的折疊路徑。基於探針計算機的蛋白質專用計算架構，復雜蛋白質折疊的預測有望大幅提速。

而在中醫藥方劑研發中，尋找最優藥物配伍組合面臨巨大挑戰。中藥間的相互作用復雜多變，加上劑量調整帶來的變量，使得可能的組合數量呈指數級增長，遠超傳統試錯方法的計算極限。未來，探針計算機可憑借其超強的並行計算能力，在極短時間內完成海量搜索，用於新方劑法和經典方劑優化，大幅縮短藥物研發周期，推動中醫藥從經驗探索邁向精准計算時代。或許在不久的將來，探針計算機還會像手機一樣常見，讓人們的生活更方便、更智能。（記者 華 凌 孫明源）

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