摩尔定律终结,计算的未来在哪里

青衫无名 2017-07-03

算法 性能 AlphaGo 数据中心

1971年,全球最快的汽车是时速可达280千米时(约合174英里/时)的法拉利代托纳(Daytona)跑车。而全球最高的大楼是纽约的双子塔,高415米(约1362英尺)。就在当年11月,英特尔公司推出了首款商用微处理机芯片4004,该芯片中包含了个如红血球般大小的微型晶体管。

自此,根据英特尔联合创始人戈登 摩尔(Gordon Moore)的预测,芯片一直持续改进。遵循众所周知的“摩尔定律”经验法则,更小的晶体管紧密地装入硅片中,大约每两年芯片的处理能力就会翻倍,从而提升性能并降低成本。

现代的英特尔Skylake处理器大约包含17.5亿个晶体管——其中一半可以装入“4004”的单个晶体管——整体能够传递40万倍的计算能量。这种指数级增长在物质世界是难以实现的。如果自1971年以来,汽车和摩天大楼能以这种速度增长,那么现在最快的汽车就可以达到1/10光速的速度,最高的大楼可达地球与月球之间一半的距离。

摩尔定律的影响在我们的生活中随处可见。现在,世界上有30亿人的口袋中装着智能手机:每个智能手机都远比20世纪80年代那种房间般大的超级计算机性能强大。无数行业被数字化所颠覆,强大的计算能力甚至缩短了核试验的时间,因为对核武器来说,使用模拟爆炸实验要比真实实验容易的多。摩尔定律演变为一种文化寓意:硅谷内外的人都期望科技能够一年比一年好。

然而,50年后的今天,摩尔定律的终点即将到来。晶体管变小已经不足以保障它们可以更加廉价更加快速的进行计算。这并不意味计算能力的发展会即刻停止,而是这种发展的本质已经有所变化。芯片依旧会变得更好,但是进步的速度会减弱(正如英特尔公司所言,单位晶体管的运算功能现在每2.5年才翻一番)。计算的未来将取决于3个领域,而不再只与硬件的性能有关。

不再相信摩尔

首先是软件。3月,AlphaGo(阿尔法狗),一款可以下围棋的人工智能程序,在总局数为五轮的对峙中,以4:1的成绩战胜了世界最佳棋手之一的李世石。由于异常复杂,电脑科学家们非常着迷于研究围棋,因为围棋存在的战术可能性比宇宙中的原子还要多。所以下围棋的程序系统无法简单依靠摩尔定律的蛮力运算去演进。

此次获胜的Alfago运用了两个深度学习算法,一是所谓的策略网络,用来训练模仿人类行为。看过数百万计的对局后,它已学会提取特征、原则和经验法则。它在对局中的工作就是观察棋盘的状态,并产生一些看起来有希望的步数来给第二个算法考虑。第二个算法叫做价值网络,用来评估一个步数的制胜概率。机器试验策略网络的建议,将这些建议产生的数以千计的走法进行评估。因为围棋是如此复杂,将所有可能的走法都进行到底是不可能的。作为替代,价值网络评估数个步数后可能的棋盘状态,并与它之前见过的例子进行比较。这种想法是找出统计意义上最像过去能够获胜的棋形。策略和价值网络结合起来构成了人类棋手需要通过几年实践才能累积的围棋智慧。3月的胜利体现出,运用新的计算法则获得了巨大的能力。由此看出,缓慢的硬件发展将极大推动更加智能的软件的研究。

然而,如同Brundage先生所指出的,强力算法并没有被DeepMind完全摒弃。像许多深度学习系统一样,AlphaGo的性能随着更多的计算单元而改善,至少能上升到某个点。与李先生对战的系统版本使用了1920个标准处理芯片和280个原用于视频游戏的图形芯片。尽管如此,他说,AlphaGo自我学习正是学习人类下围棋的方式。

第二个影响进程的领域是“云”,就是通过因特网传递服务的数据中心网络。在计算机作为独立设备运用时,无论主机或台式机的性能都完全取决于处理芯片的速度。而今天的计算机不用改变硬件也能够增强性能。在搜索电子邮件、计算最优行驶路线等任务时,它们能够利用云端庞大且灵活的计算资源。互联性强化了它们的功能:比如智能手机中,卫星定位、运动传感器、无线支付支持等功能与处理器速度同样重要。

第三个影响因素是新的运算结构——为特殊工作特制优化的芯片,甚至通过探索离奇的量子力学同时处理多个数据集。随着通用微处理器的迅速发展,对于上述方式的需求已经降低,但时至今日,业内在专门针对云计算、神经网络处理、计算机视觉等任务设计芯片。这类专用硬件将会嵌入云端,需要时即可调用。这也说明,终端用户设备的硬件性能已经没有以往那么重要。

速度不是一切

在现实中这意味着什么呢?摩尔定律从来都不是一条物理定律,而是自我实现的预言。这是中心计划的胜利——科技行业从此得以协调和同步所有行动。摩尔定律的终结将使科技的进步变得难以预测。当科技产业时不时推出更高性能的技术时,科技发展的路上难免出现磕磕碰碰。但是,当大多数人是以功能和特性的有效性评判自己的计算设备而非处理速度时,对于消费者而言,科技发展看起来并没有减弱多少。

对企业来说,向云计算转换可以掩盖摩尔定律的结束。实际上,许多企业已经减少了个人电脑的升级频率,也不再管理自己的邮件服务器。可是,这种模式需要依靠快速且可靠的网络连接。这样将增强对改善带宽基础设施的需求:随着云供应商数据中心内部计算能力的迅猛提升,无法提供合理带宽的厂商越发无法在行业中受益。

对于科技行业自身来讲,摩尔定律的结束增强了集中云计算服务的逻辑。目前,云计算行业已经被科技界几大巨头所占领:Amazon、Google、Amazon、、Microsoft、阿里巴巴、百度以及腾讯。这些公司正在竭力增强云基础设施的性能,同时也在寻找引领新热点的初创公司:Google在2014年收购了就是开发出AlphaGo的英国公司。

50多年来,表面上看晶体管缩减的颓势已经不可阻挡,使计算机变得价格更加廉价、功能更完备。随着摩尔定律的褪色,科技发展的进程将不再呈现节奏化。而计算机和其他设备将变得更加强大——以不同和更加多元的形式。



本文转自d1net(转载)

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