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  • 【独家·观点】第六代计算机:追赶人脑计算能力
  • 来源:思想坦克
  • 作者:王汉华、刘兴亮、张小平
  • 时间:2015-11-20 10:43:34
  • 浏览:1443
  • [ 导读 ] 时至今日,计算机经过几番的快速发展已经步入了智能化时代。拥有了超强计算力的计算机在未来很可能会像人类一样具有智慧。电影《终结者》里的故事情节会在现实中上演吗?人类会面临一个终结的时代吗?

    1946年2月14日,由美国军方定制的世界上第一台电子计算机“电子数字积分计算机”(ENIAC Electronic Numerical And Calculator)在美国宾夕法尼亚大学问世,它被用于计算弹道,使用了17840支真空管,重达28吨,而其运算速度仅为5000次/秒的加法运算。相比于这个功耗巨大且不怎么聪明的“吃电狂魔”,科学界和商业圈显然对这台机器的创造者及其论文更感兴趣,是这位天才和他的论文真正开启了一个新的纪元——这就是冯·诺依曼和他的“101页报告”(《First Draft of a Report on the EDVAC》)。在这篇报告中,冯·诺依曼和他的同事总结归纳了以往计算机研究的成果,沿着图灵关于普适性“通用计算机”的方向,明确提出了存储程序计算机(stored-program computer),二进制替代十进制,软件硬件相分离等一系列理论,从而奠定了现代电子数字计算机的结构基础。从此计算机进入飞速发展时代,而冯·诺依曼也被誉为“计算机之父”。

    可以说,没有哪一项技术的发展速度之快能像计算机技术那样令人惊讶。根据雷库兹韦尔的观点,从计算机发明至今,计算机性能指数和性价比指数一直呈指数级增长,且先后历经了五种范式——机电、继电器、真空管、离散晶体管和集成电路。著名的摩尔定律也得益于技术精进和范式转换,得以一直延续至今,其生命力也可能随着纳米技术和材料技术的发展延续到21世纪中叶。

    “集成电路芯片上所集成的电路的数目,每隔18个月就翻一倍。”作为英特尔公司创始人之一的戈登·摩尔,在50年前提出这一论断时,显然没有意识到自己这一略显武断的结论将对人类进步产生多么巨大的影响。尽管在此后的一段时间内,他不断修正这一论断,使它不像数学定律那样可靠,但这一定律仍揭示了一个重要趋势——芯片技术、计算机技术乃至人类科技文明都在呈指数级加速增长。相比于预测未来的未来学意义,摩尔定律的现实意义更在于它的乐观主义精神——它使人类(至少是一大部分人)义无反顾的将全部筹码倾注于现在看起来毫无意义、毫无进展的领域之上——比如曾经的人工智能技术。

    然而,无论是冯氏结构的框架搭建,还是集成电路的物质支持,都不能掩饰传统稳定的冯氏计算机从诞生的那一刻起便存在的天生局限性。计算机的软件和硬件完全分离,使它更适用于做数值计算。这种计算机的机器语言同高级语言在语义上也存在很大的间隔,称之为“冯·诺依曼语义间隔”。对于复杂的计算,它只能进行一维的线性模型存储,也就是说,冯氏结构计算机具有先天瓶颈。

    后人在意识到这一问题后,研发出了并行处理技术,比如庞大的超级计算机。如果摩尔定律还能延续,超级计算机或许能在不久的将来达到人脑的计算能力。但目前的情况是,直到2014年,日本最先进的超级计算机K Compute以最佳性能全速运转40分钟,才可以模仿人脑一秒钟的活动量。而另一个重要问题是,随着芯片制造工艺突破10纳米,科学家面临的困难将是挑战物理学极限——比如量子力学中所描述的量子隧穿效应。量子隧穿效应意味着电子能够突破屏障,从源极跳跃到漏极,这样一来芯片将无法正常工作。

    物理定律将是横亘于芯片“瘦身”之路的一座大山,摩尔定律始将有一天会失效。而相对应的则是人类社会的“信息爆炸”,数据挖掘、深度学习等技术的开发又对计算机的运算能力提出了新的要求。以目前的速度来看,以硅晶圆集成电路为范式的第五代计算机迟早会遇到瓶颈。

    了解到集成电路的局限,科学家开始着手研究计算机技术的新范式。以下的这几种新型计算机很可能是开启未来新世纪大门的第六代计算机,它们的计算能力很可能达到并超越人脑。拥有更快的计算机,意味着在实现人工智能的道路上,我们没有了运算速度慢的阻碍。在同等运算速度甚至更快的情况下,计算机真的能模拟人类智能吗?其结果我们不得而知,但我们会一步一步向这个目标前进,为创造人工智能做出不懈地努力。


    3.4.1纳米管技术

    确切的说,纳米管技术走的依然是集成电路的路子,所以它也终将面临屏障。但毫无疑问的是,它们将比硅晶圆蚀刻的芯片要快上不止一倍两倍。目前,为了取代临近极限的硅晶体,科技人员制造纳米芯片管采用了两种不同的工艺——碳纳米管和石墨烯。

    1991年,一位日本科学家偶然间合成了纳米管,它是由六角形碳原子网状物卷起来组成的无缝柱体。它的直径只有1纳米,这意味着在单位空间内可以集成更高密度的电路。而纳米管优势更可能体现在它的工作频率上(脉冲信号的震荡次数),传统芯片达到2.5GHz的频率已不易,而美国科学家皮特·伯克指出:“纳米晶体管的理论极限速度应该是太赫兹(1THz=1000GHz)级别的,大约是现代计算机速度的1000倍。一立方英寸的纳米管电路,一旦被充分开发,将比人类大脑强大1亿多倍。”2012年,IBM 的T.J.Watson研究中心的团队,成功地将碳纳米管簇摆放在硅晶片上,做出了包含一万多个晶体管的硅-碳纳米管杂合芯片。

    令人遗憾的是,完全使用碳纳米管来制造芯片还要攻克许多技术难关。相比于碳纳米管,石墨烯材质便更加难以“驯服”了。芯片厂商Analog Devices首席技术官萨姆·福勒(Sam Fuller)说“石墨烯与碳纳米管相比的一个优势是,它的制造可以集成在晶圆制造工艺中,无需此后专门组装。另一个优势是石墨烯具有极高的电子迁移率,如果用石墨烯连接晶体管中的源极和漏极,晶体管的开关速度可以非常高。”但目前的问题是石墨烯作为开关,似乎只能打开,难以关闭——它的导电性太强,还不能成为半导体。

    尽管纳米管技术还未成熟,但毕竟它属于集成电路的一种沿革,在技术研发能力和生产线更替等问题上,纳米管技术似乎是目前的最佳选择。进行这种技术革新,相比于其他几种新型计算机,其产业化的成本不会那么高昂,配套技术和设施也比较完善。其取得的经济效益将会更高,更容易被芯片厂商接受。


    3.4.2DNA计算机

    1994年,美国南加州大学教授雷纳德·阿德勒曼(L.Adleman)博士首次提出了DNA计算机概念。DNA计算机,其实就是一个个含有1万亿DNA分子水溶液的试管,其中每一个DNA分子的作用便相当于一台计算机。通过检测这数万亿个DNA链结构顺序的变化,人们利用DNA计算机可以处理极其复杂的单指令多数据(SIMD)运算。十几个小时的DNA计算,其计算量就与电脑问世以来人类社会的运算总量相当。

    除了运算速度上质的飞跃,相比于集成电路体积较大、散热困难、耗电量突出等问题,DNA计算机具有阻抗低、能耗小、发热量小等优点。其消耗的能量相当于普通PC机的十亿分之一。DNA的双螺旋结构能存储巨额的信息,1立方厘米DNA溶液能容纳超过1万亿张CD光盘所包含的信息。DNA计算机的数据错误率也比较低,出现故障时可利用生物的自我调节功能进行自我修复。

    早在2001年,以色列科学家便已经成功研制出世界上第一台可编程的DNA计算机。然而时至今日,DNA计算为何迟迟未见重大进展呢?这主要在于,尽管DNA计算机求解速度神快,但读取信息的时间却慢得可以——它在二十几个小时内便完成了迄今为止人类社会所有的计算量,却花了一周时间来提取其中的一个信息点。另外,DNA计算机十分擅长单指令的并行计算,但当问题变得十分复杂时,我们所需要DNA分子的总量,其重量甚至会超过整个地球的“重量”——5.98×10 24kg。


    3.4.3量子计算机

    提起量子力学,我们第一个联想到的毫无疑问便是著名的“薛定谔的猫”。这只“既死又活”的猫形象地指出了量子力学最违背常理的一个特性——量子的叠加态。如果我们用薛定谔方程来描述薛定谔的猫(量子力学中的波函数),那么它就是处于一种活与死相间的叠加态。我们只有在揭开盖子的一瞬间,真正观测到猫的状态后,我们才能确切地知道猫是死是活(量子力学中称为波函数的塌缩)。

    而量子力学另一个超越常识的特征便是其相干性,它意味着一个粒子在被观测到后,与其相关的另一个粒子的状态也被确定——无论中间间隔多么遥远的距离和多么结实的屏障。

    量子计算最本质的特征就是利用量子的叠加性和相干性。在经典计算机的二进制系统中,每个0或1就是一个比特。比特是数据存储的最小单位,计算机的运算对象就是各种比特序列。与此类似,在量子计算机中,基本信息单位是量子比特,运算对象是量子比特序列。量子计算机对每一个叠加分量进行变换,就相当于一种经典计算,即“1-0变换”。基于量子叠加性、相干性等特殊的量子态特性,所有这些经典计算将同时完成,并按一定的概率振幅叠加起来,给出量子计算机的输出结果。这种计算被称为量子并行计算。

    同DNA计算相似,量子计算擅长的是单指令多数据(SIMD)的并行计算,最典型的例子便是大数的因式分解——当前任何一台超级计算机都无法做到对上百位数字的因式分解,而一个拥有100个量子比特的计算机几乎能一瞬间将其解决。量子计算机一个更具实用价值的地方是密码的暴力破解,比如破解当前普遍使用的RSA公钥体系密码需要1000-5000个量子比特。

    然而,从量子计算得到证明的1994年开始,直至2014年,科学家制造的量子计算机最多也只有14个量子比特,而且每增加一个量子比特,其工程难度便呈指数级增长。有个流传甚广的说法就是:“造出量子计算机的成功率大概和造出反重力汽车差不多。”

    其实早在2007年,加拿大D-Wave公司就推出了商用量子计算机。这家公司与谷歌公司合作,在2012年推出了其新一代产品D-wave Two。它号称拥有512个量子比特,貌似完成了不可能完成的任务。实际上,这种计算机属于“量子退火计算机”,而其它超级计算机也能进行这种计算,速度甚至比D-wave Two还要快。说到底,D-wave Two严格意义上来讲并非一台真正的量子计算机,它的确运用了例如“量子隧穿”这样的量子效应,但没有利用到最具革命意义的量子叠加性、相干性进行计算,多少有些令人失望。

    2012年诺贝尔物理学奖得主、法国科学家Haroche在其诺贝尔获奖演讲说:“量子计算机看起来是一个乌托邦。”量子比特恰似那只将人折磨得死去活来的薛定谔的猫,捉摸不定又令人伤透脑筋。同纳米管计算一样,量子计算机面临的更多的是工程问题而非理论问题。当然,工程难题又需要另一套理论去解决,但当前的科学界已出现越来越多这样的节点——工程实践与科学实验跟不上理论创新的步伐。我们期待着技术发展的积累与突破,能为计算机技术提供新的范式,能令智能体具备更聪明的“大脑”,从而给我们的生活带来更大的惊喜与变革。

    ——本文摘自《智能爆炸:开启智人新时代》一书

    作者:王汉华、刘兴亮、张小平


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