未来计算领域的巨大创新

2022-07-16 19:28:34 admin

随着硅晶体管的体积越来越小,不断逼近物理极限,制造工艺难以跟上其发展步伐。这预示着,硅晶体管技术的发展达到摩尔定律的上限。摩尔定律假定,微处理器的晶体管数目将每两年翻一番,它们的计算性能也将随之翻倍。那么,这是否意味着科技驱动的指数级变化时代即将走到尽头?

当然不是。

 

不同于万有引力或能量守恒定律,摩尔定律并不是永恒不变的真理。它更像是一个自我实现的预言。摩尔定律给芯片制造商设定了预期,而他们也相应地兑现了这些预期。这激发了全世界对计算能力的无限渴求,而且这种渴求不会因为硅基微处理器发展到极致而消失。因此,我们现在需要探索新的方法,将更大的算力压缩到更小的空间内。

未来的计算技术将由非硅基晶体管驱动,采用与晶体管速度无关的方法来提高计算能力,包括采用深度学习软件,以及将过剩的计算能力众包出去,形成分布式超级计算机。这些方法甚至可能重新定义计算本身。

以下是计算领域最新取得的里程碑式突破:

石墨烯晶体管: 石墨烯只有一个碳原子的厚度,而且比任何其他已知材料(参见 “The Super Materials Revolution”(超级材料革命))的传导性都更优越。石墨烯可以卷成微小的管状,也能够结合其他二维材料使用,更快速地传导电子。相比最小的硅晶体管,石墨烯晶体管的体积更小,传导能耗更低。然而,直到最近,纳米管的生产仍处于混乱状态且容易出错,不具备商业可行性。不过,在 2019 年,麻省理工学院的研究团队研制出了 16 位碳纳米管微处理器的生产工艺,该微处理器成功地执行了一套经典指令,打印出 “Hello, World!”。这项工艺攻克了纳米管生产中的难题,在不到五年的时间内就将让纳米管的生产从实验室转移到工厂。

量子计算:即使是最出色的传统计算机,每个比特的取值也只能为 1 或 0。而在量子计算中,信息量的基本单位为量子比特或量子位。量子位可以是 0,可以是 1,也可以同时是 0 和 1,或者是两者之间的某个不确定状态。(这的确有点烧脑,请查看 WIRED 网站上的通俗讲解)。目前,量子计算机炙手可热,但相关技术还不成熟。预计在未来 10 年或 20 年里,量子计算机将能够帮助我们研发新的材料和化合物,并创建安全坚固的通信渠道,为金融交易和军事行动等等提供信息安全保障。 

DNA 数据存储:将数据转换成 base4 格式,你就可以将其编码到合成 DNA 上。为什么要这么做呢?很简单,我们已经掌握了测序(读)、合成(写)和复制 DNA 的方法。一点点 DNA 就可以存储海量信息。有研究人员认为,一立方米的大肠杆菌 DNA 粉末就可以满足全世界一年的数据存储需求。而且,这种数据存储方式非常稳定,这一点已经被科学家证实。他们成功地用一块骨头重建了一头死于 30 万年前的穴居熊的基因组。可能再过几年,市场上就会有基于 DNA 的数据存储服务(因为企业不会投资开发自己的基因编辑工具)。

神经形态技术:神经形态技术的目标是,打造模拟人脑结构的计算机,让计算机解决问题的能力达到人类水平,甚至具备一定程度的认知能力。而且相比传统晶体管,神经形态技术的能效要高得多。目前,这项技术还不够成熟。但是,在 2020 年初,英特尔推出了一款基于神经形态芯片的新服务器,并称其神经容量相当于小型哺乳动物的大脑。此外,一个国际研究团队将人工神经元与生物神经元连接起来,使其像生物神经系统一样通信,只不过采用的是互联网通信协议。这项技术过去只能出现在科幻小说中。

光学计算:光学计算是利用光子进行计算,即将数据映射到光强度级别上,然后通过改变光强度来执行计算的过程。这项技术仍处于早期发展阶段,但有望实现高效率、低功耗的数据处理和数据传输。而且,纳米级光学计算将可能实现 光速运行。

分布式计算:每台处于休眠模式或没有满负荷运行的计算机都有可用于其他活动的算力。在后台运行的客户端允许计算机从远程服务器下载工作负载,在本地执行计算,并将结果上传到服务器。Folding@home 是一种先进的分布式计算模型,该模型对蛋白质分子进行建模,来寻找阿尔茨海默病、癌症以及最近的新冠肺炎等疾病的治疗方法。该项目拥有近 75 万名参与者,总算力达 1.5 exaFLOPS(每秒 150 亿亿次浮点运算),计算速度达到 El Capitan 超级计算机预计速度的 75%。El Capitan 超级计算机将于 2023 年问世,届时有望成为世界上最快的超级计算机。

虽然我们可能在接近硅基芯片的性能极限,但计算技术本身仍在加速发展,继续充当现代生活的驱动力量。随着新的计算技术推动机器人、人工智能、人机接口、纳米技术以及其他重要科技进步超越当前已知的极限,计算技术的影响力只会有增无减。

简而言之,计算能力的指数级增长或许无法永远持续下去,但其尽头比我们想象的要遥远得多。

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