记忆运算 学人脑思考(1-2)

发布时间:2020-08-06 编辑: 查看次数:740

記憶運算 學人腦思考(1/2)

新型电子元件不像电晶体,反而更像神经元,将带来效率极高、运算速度更快的「记忆电脑」。

我们撰写这篇文章时,用的是目前最先进的电脑,但这类电脑相当浪费能源,而且执行複杂科学运算时速度缓慢。现在市面上的各种电脑,不论是你手上的智慧型手机还是全世界最先进机构中价值数百万美元的超级电脑,都有同样的问题。

我们和许多读者一样,使用Word这套软体撰稿。要打出「我们撰写这篇文章时」这句话,电脑必须从记忆体取出一连串的0和1(Word文件的代码),经由线路搬移到另一个实体位置,也就是中央处理器(CPU)。CPU把代码转换成我们在萤幕上看到的文字,但关闭电源时这些字句会立刻消失,因此必须透过线路把代表字句的资料储存到硬碟等比较稳定的记忆体。

由于目前电脑的记忆体无法运算资料,CPU也不能储存资料,导致程序如此繁複。即使是全世界运算速度最快、使用多个CPU执行所谓「平行处理」的超级电脑,同样採行这种标準分工方式,但问题是这类CPU的效能仍然因为这个限制而受到影响。

科学家一直在研发新技术,试图把两种难以并存的过程结合,也就是创造能执行运算并储存资料的电路。要达成这个目标,必须以忆阻器(memristor)、忆容器(memcapacitor)和忆感器(meminductor)等电子元件取代目前电脑的电晶体、电容器和电感器,这类元件现今仍在实验阶段,但很快就能构成新的「记忆电脑」(memcomputer)。

记忆电脑具备双重能力,每个元件都能以效率更高的新型平行运算方式来计算问题的答案,可望达到前所未有的高速运算。由于此电脑的记忆体运算了困难的问题,而且直接储存在其中,所以可省下目前电脑中来回搬移资料而消耗的电能。这种崭新的运算架构将改变各种电脑的运作方式,从智慧型手机的微型晶片到庞大的超级电脑。事实上,这种设计相当接近人类大脑的运作方式,在同一个神经元内储存记忆并处理资讯。

记忆电脑的运算速度应该会快上许多,只需数秒钟就能算出目前电脑花费数十年才能完成的计算,而且体积更小、用电量也更少。完整的记忆电脑目前尚未问世,但我们以这类元件进行的实验结果显示,这种电脑将对电脑设计、全球永续发展、电力消耗和人类解答重大科学问题的能力,产生极大影响。

灵感来自神经元

记忆运算 学人脑思考(1/2)在电脑中搬移Word文句这类资料,只需不到一秒钟和少许电能。但如果把来回搬移这些资料的电能乘以全世界的电脑数量,就会发现消耗的电能十分可观。

2011~2012年之间,全球的电脑资料中心其电力需求大幅增长58%。其实不只超级电脑,现在连烤箱、笔记型电脑到电视机,每个家庭的各种电子产品都具备运算能力。现今资讯与通讯领域佔全球用电量的15%,到2030年,全球消费性电子产品的用电量将等于目前美国和日本的住宅用电量总和,每年电费高达2000亿美元;这幺大的用电量相当不环保。

我们无法不断缩小电晶体来解决这个问题。国际半导体技术蓝图(International Technology Roadmap for Semiconductors)预测,电晶体产业在2016年将会遭遇技术瓶颈,原因是现有的元件材料无法继续缩小体积并维持运算能力。

某些迫切问题的科学研究工作也遭遇瓶颈。有些重要问题必须借助大量运算才能解决,因此用电量也越来越大,例如全球天气型态预报,或透过研究大型基因组资料库评估不同族群的疾病发生率。记忆电脑不需要在CPU和记忆体之间不断搬移资料,少了这个成本高昂、耗电又费时的过程,应该可省下大量电能。

当然,这种电脑不是第一款能执行运算并储存资料的资讯处理装置,人类大脑就是如此,记忆电脑的构想灵感正是来自这个运算速度极快、效率又高的器官。

不少科学家估计,人类大脑平均每秒可运算1016次,消耗的能量仅10~25瓦特,超级电脑执行相同运算所消耗的电能却高达1000万倍。此外,电脑难以执行图形辨识等複杂作业,而人类在吵杂和纷乱的环境中不擅于分辨狗吠声和街上的车声。超级电脑执行运算和储存记忆的位置不同,大脑则是在神经元和突触中执行运算,涉及的处理程序较不繁複,代表搬移资料时消耗的能量和时间随之减少。电脑依序执行运算时比人类快,但必须凭藉大量的电晶体运作。

在运算过程中,电脑通常依靠分工来防止程式和资料互相干扰。例如,我们在Word中输入文字时,电路的实体变化产生了新的资料,可能会改变并损害程式或资料。如果CPU的电子元件能「记住」最近执行的程序(即便在电源关闭时也行),就可避免发生这种状况,确保资料完好无缺。

新型元件终于登场

记忆运算元件正是如此:除了能运算资料,即便电源关闭时也可储存资料。忆阻器是这类新装置之一,要了解忆阻器,可以假想成能随着水流方向改变管径的水管。水由右向左流时,水管管径会变大,让更多水通过。水由左向右流时,水管会变小,通过的水量也随之减少。关闭水源后,水管会保持最后水流通过时的管径,也就是能记忆通过的水量。

现在以电流取代水流,并以忆阻器取代水管。如同水管能改变管径,忆阻器也能随着通过的电流量改变电阻,管径较大的水管电阻较小,管径较小的水管电阻较大。如果把电阻当成数值,电阻的变化视为计算过程,忆阻器就是能运算资料、又能在断电时储存资料的电子元件;忆阻器可兼具CPU和记忆体的工作集于一身。

美国加州大学柏克莱分校的电子工程师蔡少棠(Leon O. Chua)于1970年代首先提出忆阻器的概念,当时他的理论看来并不实际,因为那时用来製作电路的材料不如上述假想的水管般能记住最终的状态。不过几十年来,工程师和材料科学家研发出越来越多新的电子材料,使材料具备新性质。2008年,惠普公司的工程师威廉斯(Stanley Williams)等人製作出新的记忆体元件,能改变电阻并保持改变时的状态。他们用二氧化钛做成直径仅数十奈米的电子元件,发表在《自然》的论文中指出,这种元件可保持特定状态,此状态取决于通过电流的变化历程。上述假想的水管如今果然实现了。

我们可使用多种材料製造这类装置,直径最小可达数奈米。尺寸越小,表示在一定面积内能容纳的元件数目就越多,因此几乎可装入任何产品内。目前用来製造电脑元件的半导体设备,可製作出多数这类元件,因此能大量製造。

另一项重要的记忆运算元件是忆容器。一般电容器能储存电荷,但无论储存了多少电荷,都不会改变状态,也就是电容量。在目前的电脑中,电容器大多用于製造动态随机存取记忆体(DRAM),这种记忆体的用途是可随时储存电脑程式,并在CPU呼叫程式时能快速提供。不过忆容器不仅能储存电荷,也能依据施加的电压改变电容量,因此具备记忆和运算双重功能。此外,忆容器能储存电荷(电能),可在运算时回收电能,有助于降低整部电脑消耗的能源。(相反地,忆阻器则会消耗所有输入的电能。)

市面上已有一些忆容器,是以较昂贵的铁电材料製成,用于资料储存装置中。不过实验室正在研发以硅製成的忆容器,硅较便宜可降低製造成本,使整部电脑都能使用忆容器。

第三种记忆运算元件是忆感器。忆感器有两个端子(terminal),如忆容器般可储存电能,也像忆阻器般可让电流通过。现在科学家已经製作出忆感器,但是因为必须具备庞大的线圈,所以很难用于小型电脑。不过随着材料科学的进展,现况也会改变,就像几年前的忆阻器一样。(待续)