类生物计算范式的第一性原理与介观尺度实现机制解读

2026年7月15日，第二十八届中国科协年会在北京发布年度重大科技问题清单，“类生物计算范式的第一性原理与介观尺度实现机制”入选十大前沿科学问题。本次征集活动由10家全国学会、7家学会联合体统筹组织，70位行业科学家参与推荐，累计征集84项选题，经23位院士多轮评审筛选确定最终榜单。自2018年常态化开展征集发布工作以来，中国科协已累计发布279项重大科技问题，持续开展系统性技术预见研究，为国家基础研究战略布局提供重要指引。该命题的入选，充分反映学界对当前先进计算底层体系核心矛盾的高度关注，具备极强的前沿性与战略价值。

全球算力规模持续扩张带来的能耗瓶颈，倒逼行业探索全新计算范式。国际能源署统计数据显示，2024年全球数据中心总耗电量达到415太瓦时，业内预判2030年这一数值将实现翻倍。与之形成鲜明对比，人脑仅依靠20瓦功耗，即可实现多模态感知、逻辑推理、创新生成等完整通用智能，二者巨大的能效差距直指冯・诺依曼架构与生俱来的短板，同时反映出四重亟待破解的基础理论与工程实践难题。其一，生物智能缺少完备数学刻画体系。人脑依托海量神经元与动态突触网络实现智能涌现，现有研究仅能观测小世界拓扑、自由能自组织等表层现象，无法建立数学模型精准界定智能涌现的临界相变阈值。其二，传统架构底层逻辑与生物智能运行机理相悖。存算分离架构造成六成以上能耗消耗在数据搬运环节，业内至今未能建立以动态互连网络为核心的统一理论框架。其三，类生物计算硬件工程化存在明显路径断层。晶圆、晶上集成是复刻人脑复杂网络的核心载体，但高密度互连会同步引发散热不均、制造良率衰减、信号串扰干扰等多重物理矛盾，且缺少跨尺度协同优化理论作为设计支撑。其四，生物自组织自适应机制难以在硅基硬件上复刻。人脑依靠突触可塑性动态调整网络连接，遵循能量最小化规律自主演化，而现有硬件电路拓扑出厂即固化，行业尚未形成统一、可量化的智能涌现评价标准。

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针对上述行业痛点，中国工程院邬江兴院士团队提出介观尺度计算范式，为人工智能与先进计算深度融合提供系统性解决方案。该范式将介于芯片级与机架级之间的介观区间作为核心物理载体，实现从“复杂节点+简单互连”的传统计算架构转向“简单节点+复杂互连”的变结构计算架构。这一变革的核心并非依赖物理空间拓展，而是以介观尺度高密度大规模为适配性物理载体，通过“复杂连接”的动态可塑释放智能计算潜力、提升超非线性算力，最终获得“时间复杂度与空间复杂度协同相变效应”。从核心特征来看，该范式跳出单一尺度的设计局限，兼顾芯片层级的集成密度与整机系统的扩展能力；遵循必要多样性原则，采用元素化生成式架构，硬件功能单元可按需解耦重组，依托动态互连完成任务驱动的拓扑适配；以耗散结构论、协同论、突变论为理论指引，实现开放系统内全局资源协同优化与自适应稳定演化；以软件定义晶上系统为硬件底座，依托整片晶圆、晶矩基板完成软硬件一体化集成，搭建适配类生物智能的物理载体。

相较于传统固定架构，介观尺度动态可塑拓扑网络可实现通路按需连接、实时激活，系统性能提升不再依赖单一计算单元的硬件能力，而是依靠网络层面时空复杂度协同优化产生相变增益，形成一套可演进、低功耗、动态重构的新型计算体系。围绕类生物计算和介观尺度实现机制的理论体系构建，目前已经形成若干研究方向：一是复杂度度量理论，搭建覆盖微观、介观、宏观的统一度量框架，将复杂度从定性描述转化为可计算物理量，支撑量化设计与性能优化；二是智能涌现判据理论，融合信息论、热力学、动力系统推导智能等级跃迁的临界数学常数，以量化标准客观判定通用智能水平；三是拓扑可编程形式化理论，将硬件拓扑提升为一级可编程资源，建立从任务需求到硬件结构自动生成的代数体系；四是高维网络动力学理论，构建自演化硬件数学模型，解决大规模非线性网络的稳定性、收敛性与一致性问题，实现类脑容错自适应调度；五是介观尺度完备性理论，明确晶圆、异质异构集成的工程边界条件，统一类生物计算范式下图灵完备性与容错设计标准；六是软硬件协同设计理论，搭建覆盖应用软件、硬件架构、工艺实现的跨层级联合优化框架，形成AI驱动软硬件协同迭代的闭环研发模式。

现阶段晶圆级类脑硬件完成小规模原理样机试制，一旦完善类生物计算第一性原理理论体系、打通介观尺度集成全链条工程路径，芯片综合能效将实现3至5个数量级提升；技术成熟落地后，手机、机器人、卫星智能体等轻量化终端可独立承载大模型推理，有效降低数据中心算力运行成本，为数字产业绿色低碳转型、高效支撑Token经济规模化发展提供关键硬件底座，夯实智能经济长期演进的算力根基。从长远发展层面看，介观尺度计算范式无需依赖先进尖端制程，可在成熟工艺基础上实现算力跨越式提升，能够加速AI芯片自主化，掌握智能经济底层技术话语权；从产业发展维度看，介观尺度计算将催生晶上智算、车载晶上智能等全新产业集群，构建开放可控的产业发展新生态；从全球发展格局看，全新架构可向发展中国家供给低成本、低功耗算力基础设施，消解算力资源分配失衡带来的技术壁垒，推动全球技术平权，重塑算力产业链价值分配模式。整体而言，介观尺度计算范式能筑牢我国数字经济与智能产业底层技术底座，持续释放新质生产力，为全球人工智能可持续治理提供兼顾普惠、技术向善的中国方案。

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