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后晶片时代

2020-06-25

後晶片時代

数十年来我们享有越来越快的电脑运算速度,但现在晶片技术看似已发展到了尽头,还有哪些技术可以取而代之?

相较于50年前的电脑处理器,如今处理速度不只快,而且快得吓人──速度大约每两年就会翻一倍。英特尔(Intel)共同创办人Gordon Moore早在1965年就预言这样的进展,所以这种倍增效应被命名为摩尔定律。如果汽车的最高时速也从1965年遵照相同趋势倍增,那幺现在我们在英国银石(Silverstone)赛道会看到F1车手Lewis Hamilton以时速超过177亿公里飞驰而过。

后晶片时代

对电脑产业来说,摩尔的预测成为金科玉律,甚至是自我应验的预言。晶片製造厂受到刺激,也想达到摩尔定律预测的能力,于是发展出更为不同凡响的方法,缩小必要元件以便放进面积越来越小的硅晶片上,并加快这些元件在过程中交互作用的速度。

时至今日,由于大型积体电路可製造功能日益强大的微处理器,电脑产业已改变了世界。从食品配销到运输,我们几乎将生活每个层面数位化,同时创造了老旧处理器绝对无法达到的新技术,如社交媒体、线上游戏、机器人科学、扩增实境、机器学习等等。

摩尔定律促成了这些转变,但超乎寻常的进展在我们看来已不足为奇,很多软体公司基本上假设这种进展会持续下去。然而我们每天製造的数据越来越多,需要极大的电脑仓库(称为云端)来储存处理数据;当我们製造越多数据,用来分析数据的运算能力就必须越强大。

不过硅晶片不会永远突飞猛进,我们正走向这个了不起的科技爆炸的尽头,即将用尽让电脑变得更快的方法。儘管研究工程师竭尽全力,电晶体缩小的空间仍有限。以苹果的A11晶片为例,它是当前最好的晶片之一:87.66平方公釐的面积上有43亿个电晶体。如果要做得比这更小,电晶体就会因为太小,导致量子物理效应干扰,电子会跳来跳去,出现在不被我们预期的地方。若是空间太小,也难以安排硅晶圆的精细结构,这对于控制其电性质极为重要。若封装太多电晶体让它们运作得更快,晶片里的受限电子流就可能让晶片持续升温,如果不刻意冷却,它会因而燃烧。

科技新页

这些问题困扰晶片製造厂几十年了,他们只能尽力避开。我们曾见识微处理器的时钟速率(电脑的基本运作速度)年年增加,使运算更加快速:1991年有25MHz的i486处理器、1998年是200MHz的PentiumPro处理器、2008年则有3.8GHz的Pentium4。然而这些是在我们还有办法冷却微处理器的情况下,所能达到的最快速度。在这之后,製造厂不得不採用多核心,好让处理器能够平行处理,以便加快运算速度:首先是双核心,再来是四核心、八核心、16核心等等。

如今很难再按照摩尔定律预测的进展速度,而且还很昂贵,因此几乎所有的晶片製造厂都放弃竞争。既然朝这个方向发展不再具成本效益,负责尖端新型晶片製程的研发实验室也出现大幅衰退──摩尔定律的时代差不多要结束了。

而晶片大厂现在把主力放在专为加速特定运算类型而设计的晶片上,最常见的例子就是图形处理器。它原本是为了平行执行很多类似运算而发明的,以便做到电脑游戏所需的极快速图像,现在已经发展成通用处理器,用于数据分析与机器学习。其他公司也推出了专属的特殊应用积体电路(ASIC),譬如Google的张量处理单元(TPU);Google为了以领先业界的速度执行机器学习软体,开发了TPU,它是排列成256个晶片群的电路(这些晶片全部平行运作),近期已进入软体beta测试阶段(又称确认测试)。

因此我们也许不该把摩尔定律的结束视为尽头,离终点还远得很!我们现在身处技术革新的另一页,有些新的电脑架构和技术,数十年来头一遭受到正视。这些新技术显示,虽然运算的未来不再呈指数增长,但进展仍会持续。这有机会加快传统运算,也有可能让我们以全新方式处理资讯。接下来为您介绍,当摩尔定律谢幕时,其他会使运算世界发生大变革的技术。

权宜之计

在集中火力发展下一代处理器技术之前,我们还是会继续从其他构想中勉强维持进展速度。现在虽然有越来越多针对特定运算形式的奇特处理器设计,不过製造新晶片的过程既缓慢又花钱。替代方案之一是现场可程式化逻辑闸阵列(FPGA),它是能够重新配置的晶片,我们不须製造新晶片,就能改变内部电路并有效做出新的硬体。目前FPGA加速器有越来越多的应用,从伦敦的飞快自动交易,到分析数据的加速机器学习与人工智慧。儘管这并非新技术,最新的FPGA还是有更大的容量,可以利用与传统程式类似的语言来重新配置,让任何人不必成为电脑高手,也能做出自己的硬体。

量子计算

后晶片时代

Intel的17量子位元超导测试晶片。(图片来源: Intel Corporation)

取代传统硅晶片的所有候选者中,大家最熟悉的大概是量子计算。与其让量子效应阻挠微小电晶体运作,何不利用这种细微量子效应打造元件?量子计算仰赖的基本要素叫做量子位元(qubit)。普通位元(用于传统计算的基本资讯单位)的值不是0就是1,好比一颗球的北极与南极,但量子位元的值可表示球面上任何位置,这使得量子位元能够以更少的能量处理更多资讯。

如今有数个量子电脑的早期例子,各遵循IBM、Google、Rigetti、Intel略微不同的设计。最后哪家公司与哪类型的量子电脑会胜出,并主导这个奇特的新型计算领域,仍有待观察,不过光是初期结果就让人觉得大有可为。

忆阻器

忆阻器(memristor)刚开始是位电路理论学家在1970年代初期设想出来的电子元件,他的构想是这个元件会记住通过其上的电流,而它的电阻会随此纪录而变动。它被设计成基本电路元件,就像电晶体或电容器一样重要。

只要配置正确,忆阻器就可以完全取代电晶体。比起电晶体,忆阻器可以用更高的密度配置,所以能够製成更快的处理器或容量更大的记忆体。有些人因此认为,忆阻器是模拟神经网路与执行机器学习的理想元件。不过儘管理论上可行,已证明难以真的製出忆阻器。虽然去年已推出第一批商用忆阻器,但这些忆阻器是否和原先设想的版本相同,大家还无法达成共识。

石墨烯处理器

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IBM 研究部的石墨烯晶片。(图片来源:IBM)

很多新兴奇特材料有可能应用于电子学,比方说导电性极优的石墨烯,这种不寻常的热门新材料是由碳分子晶格所构成,硬度是钻石的40倍。

美国数所大学最近做的研究,是利用石墨烯製造出速度比硅晶快1,000倍的电晶体。由于电阻较小,石墨烯处理器的速度有可能提高1,000倍,用电量还比传统技术来得少。

活体晶片

许多研究人员正设法打造以脑神经元为灵感的电脑,举例来说,由欧盟资助的大型人脑计画(HBP),就在研究如何製造出模拟大脑运作方式的演算法和电脑。然而有些研究人员更具雄心:Koniku是第一家致力使用活体神经元製造电脑的公司。创办人Oshiorenoya Agabi说,「我们的根本想法就是,可以实际使用真正的、有生命的神经元运算。」Koniku公司的目标是透过改变DNA,培育活体神经元,然后让这些神经元在「活体晶片」上存活并运作长达两年。Koniku公司表示,最终可能会发展成用于安全和军事用途的生物处理器,可侦测毒品或爆裂物的气味。


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