未来已来：摩尔定律尽头的计算科学-凯时尊龙官网

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作者 | 丛京生（美国加州大学计算机系校长讲席教授、电子工程系教授）

整理 | 邸利会

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大家常常听到计算机，有软件，有硬件，你愿意学软件还是愿意学硬件，有什么区别呢？硬件和软件之间有一个指令集，这个指令集定义了软件和硬件的界面，定义一些最基本的操作。一般一个计算机大概有几十个，甚至上百个指令，这些是最基本的机器的指令。你写的程序分解成各种各样的指令。做硬件，就是做一个最好的计算机，执行这些指令。软件也是把你的程序分解成最基本的这些指令，不过，现在这个指令也造成了很大的问题。计算的时候有上百个指令，其实在早期没有多少计算元件，你要执行这么多指令怎么办？我们就用同一个数据通道，同一个计算单元执行所有的指令。指令进来之后我先分析一下是什么指令，我按照你指令的需求把我的开关重新设置一下，这样我来执行这个指令，这个执行完了，数据存了以后再执行下一个指令。所以，简单的一个指令要经过几个步骤：从获取指令，解码看一下什么指令，进行计算，最后把数据存起来，是这么一个循环往复的过程。

摩尔定律是摩尔（gordon moore）1965年有一个预测，他看了英特尔做的几个芯片，他觉得18到24个月可以把晶体管的个数翻一番。当时他看的只是几个数据，没想到这么一个简单的预言成真了，下面几十年一直按这个节奏往前走。这真是一个了不起的事情，每次翻一番大家知道是指数型的发展。

摩尔定律已经50多年了，现在还在继续，为什么呢？是因为我们把晶体管不停地做小，否则同样的大小，你的计算机已经把整个科技馆都占了还不止。每过18到26个月，每个晶体管比原来小了70%左右，这是非常可怕的。给大家一个概念，不知道大家有没有玩过俄国的套娃，很有意思，你打开她以后里面又有一个小娃娃，据说最大的里面有50多层套着。我女儿跟我前几个星期坐着波尔地海游轮到俄国，买了个十层的娃娃，每个我算了一下差不多70%，经过十次以后，这个娃娃小到你基本上看不到了，所以为什么能集成度这么高，是因为晶体管越做越小。现在大概做到只是20纳米。你今天应该很自豪，在你的兜里装了一个有几十亿晶体管，每个都有20纳米的这么一个先进的仪器。

我们不但可以把它做得小，晶体管的速度也越来越快，而且是指数型的增长。有些同仁可能有点失望，我为什么要听你讲，这种好事已经发生了50多年了。这确实是个很重要的问题，所有的好事都要结束了。到了2000年前后都是这样的，晶体管越来越小，而且越来越快。但是到2000年前后发生问题了，发现晶体管可以做得越来越小，但是芯片的温度越来越高，如果我不做任何的事情，我让计算的频率增快，就要接近原子能发电站的温度了，要接近火箭口或太阳表面的温度了。这是不可能的！今天你拿着你的笔记本搁在腿上比较烫，都比较紧张，如果到了温度到了火箭口的温度，你是不可能接受的。我不讲具体的原因，其实是因为我们的电压不能指数级的下降，原来之所以晶体管可以能耗越来越小，是因为在把它变小的同时把电压也降下来了。一定时候电压降不下来了，所以晶体管的能耗，芯片的能耗就越来越高了。

怎么办呢？今天不管花多少钱，你的主频超不过2到4赫兹，但是你确实可以买到多核的计算机。一个英特尔芯片有8核，你稍微看一下集成电路的芯片就很明显，原来每一个核都是一个单独的计算器，现在全给集成在里面了，虽然说每个晶体管的速度没有提高，但是晶体管多了以后计算还是快了很多。

中国有全世界最快的超算计算机，最近叫“神威太湖之光”，芯片全是国产的芯片。“太湖之光”用了多核的计算，每个里面有256个芯片，若干个芯片迭代起来搭了一个超大的计算机，现在是全球最大的计算机。有一个公司，他们做深度学习用了图形加速器，现在最新的gpu有3600个芯片，虽然说速度没有增加，但是里面集成度还是在增加。这里可以看到，摩尔定律是集成度不停地增加，速度和并行在不停地提高。

你可能要问了，到最后有什么问题要解决？其实还是有不少问题的。第一个，摩尔定律像所有的聚会一样都是有聚有散的，你今天花钱买到的电子元件大概是22纳米到16纳米的晶体管，这已经是最超前的了。如果你是苹果手机，是5和6是到不了，如果是苹果7是在这么一个区间。你有一个16到22纳米的元件已经是非常非常不可思议的事情，这么小的元件是怎么制造，怎么把它切出来？我们今天最快的刀不知道比它厚多少倍。最锋利的刀是激光。激光的波长是193纳米，我用一个大概200纳米的刀去切除一个20纳米的晶体管，所以这是很不容易的一个事情。就像写书法，我让你用一厘米粗的笔给我写出一毫米小的字，可不可以写呢？可以，但是不容易。我们往下能走多少呢，我不知道了。有人告诉我说是7纳米、5纳米、3纳米，我取个中间值5纳米，到这里可能就要截止了，因为有工艺上的原因，有价格上的原因。这个就有意思了，如果这个结束了怎么办，计算的能力能不能接着提高？

我们一直在思考这个问题，即使在2007、2008年的时候离摩尔定律的终点还有不少距离的时候。我们提了这么一个想法，以后的计算不应该简单的并行，而且要定制化。我们给美国自然科学基金会送了一个提案，未来的计算叫定制计算（customizedcomputing）。我们挺幸运的，这个提案被接收了，我们得到了1000万美元做这样一个很大的研究项目。前面若干年我们一直在做这方面的工作。我简单讲一下，为什么定制计算有这么大的作用。

这张表是ucla（加州大学洛杉矶分校）教授十多年前做的一个研究，比较通用计算和专用计算之间的区别。他选了一个应用，实现一个加密算法aes。你想买东西但同时不想信用卡的号被别人一下子拿到，那就加密以后送过去那边再解密，加密解密是我们常做的事情。加密的算法，首先做了一个特殊的芯片来实现，每秒钟能加密多少比特，用了多少功耗，单位功耗可以加密多少个比特，作为一个参考值。这是一个专用的芯片，这个事不能干别的，只能做加密这个事情。他同时又用了一个低功耗的cpu，他用通用的cpu做，这么一来就差了85倍。他用了一个高性能的计算机，英特尔公司的，差了800倍。另外，如果用java在通用计算机上来算，就差了300倍。通用和专用中间有很大的区别，如果我们能把专用芯片的优势发挥起来，计算能力又能提高上百倍甚至更多，这是我们想做的工作之一。

你可能会问，计算机做了这么多年，怎么这么没有效率，跟专用芯片一比就差了几十倍，甚至几百倍，为什么呢？因为计算机今天的结构都是沿用了50年代的结构，当时没有那么多计算元件，我用同一个元件执行各种各样的指令，所以这个流水线就很长。我们计算了一下，这个流水线每一步的能耗。我们知道，要先把指令取来，再分析一下，再把数据取来做计算，再搁回去。你可以看一下具体的，光取指令大概就有7%的能耗，或者8%的能耗，你再来解码一下，看看是什么样的指令，又花了6%，接下来可能有一些重新命名的指令，把名字更改一下要花12%，也可能其中一个数据，现在还没有计算出来，要等一下，需要一个调度的过程，又要花11%，所以这个流水线非常复杂。正经有用的，做个加法，或者做个乘法，这些很简单的数字或者逻辑计算，都要很多消耗。为了通用，处理器不是那么有效，这是我们今天为什么有这么多提升空间的原因。

我们该怎么做呢？我们的提议是，不要用通用的处理器，用各种各样的加速器，加速器是不能干太多的事，但是能够把一件事干得特别好。我们有一个提议，你要有很多的，或者是专用的，或者是可组合的加速器，把它搁在一起，绝大多数计算都应该在加速器上实现，而不是在处理器上。刚才我举了例子，加密要用一个加密的加速器实现，它的效率有几十倍、几百倍的提高。你可能说，为什么你现在提这么个概念，以前不用这个办法呢？这也是一个很好的问题，因为以前我们没有那么多的晶体管，我不可能做这么多的加速器，因为我要做这么多加速器，我芯片里就搁不下了。今天是完全不一样的问题。我们每个人手里都有几十亿晶体管的芯片，非常庞大，困难的是没有足够的功耗支持，所以是完全不同的问题。

早期的计算机要通用，因为没有那么多元件，算下来有几百个，几千个，几万个，今天有几亿个，几十亿个甚至上百亿个，所以要专用，这就是区别。

还有一个启示，我们看一下自然界的发展，一个是看看我们自己的人脑。人脑很有意思，我跟一些搞神经科学的专家有过探讨。我说你告诉我，我们怎么做计算？有没有这么一个流水线在那执行指令，一个接一个的，他说我们没找到。但是确实我们看到脑子里有各种各样的区域，有的区域是管情绪的，有的区域是管语言的，有的区域是管图像识别的，而且管语言的还挺复杂，有时候管中文，有时候管英文的。确实有一个例子，一个人本来能同时讲中文和英文，后来有了创伤，他不能讲中文，能讲英文，说明他各个区域是管不同的事，所以这是我们人脑的有效性，因为有各种各样的加速器，把计算做得非常有效。我们的大脑大概是一个最暗的电灯，20瓦的耗电就可以干这么多事。

另外，社会发展也是同样的道理。早期我们的祖先都是在打猎，后来慢慢就有分工了，到现在的社会就有医生、律师、教授、计算机科学家。现在的社会分工也是非常明确的，这也提高了计算的有效性。

怎么做这样一个可以定制的芯片？其实有不少的例子。有一个比较有效的芯片，我们一直用的叫fpga（field-programmablegatearray，现场可编程逻辑阵列）。这里面有一些可定制的逻辑，而且有各种各样的存储器，还有可编程的互联。这就是一个很神奇的芯片，你可以买回来搁在你家里或者书桌上，你可以不停地改写成各种各样的芯片，做各种各样的事情。你说这个怎么可能，为什么能有这样的？其实原理很简单，他有一个查值表，还有一个传输的晶体管和多路选择器，决定怎么做互联。互联的时候可以让你走，可以不让你走。我选哪个输入，哪个输出，通过一个查值表，可以把各种各样的功能都实现了。这个听起来有点玄乎，你说怎么能有这么神奇的东西，有一个查值表，可以把世界上所有逻辑的函数都实现了呢？其实不难。我们小时候做乘法的时候，很多时候不会做乘法，就会背一个九九表，这个表实际上定义了乘法运算。如果我把这个表改一下，三三得九，我把它改成六，我就是在做加法运算，但是我不能只改这一个地方，我要把整个表改了，这个表可以定义加法。我可以改成更复杂的，比如我定义成（a×b）－（a b），如果我把这个表全都改成这样一个东西，这个表实际上就实现了这么一个比较复杂的函数。通过这样一个查值表，我可以实现各种各样的函数。有了这个之后我可以用它做各种各样的计算。其中有一个例子我们最近做的比较成功，加速dna的测序。这是大家很感兴趣的问题，精准医疗。

原来我去看病，老中医号号脉，我也不知道他怎么算出来的，拿给我24副中药，现在最起码在西方是精准医疗，和dna测序有关的。你跟我都有30亿个dna的碱基序列，这个每个人都不太一样，完全是因人而异。按照这个序列有什么样的特性，决定用什么药，甚至有人不幸得了癌症，可能因为突变，也是根据突变决定用什么药。测序过程非常复杂，测序测出来，不能一下子测出30亿个序列，只能一次测一百个，他测了一大堆很短的序列，我们的任务是要把这些序列组合起来。像小时候我们玩的一个拼图游戏，有50个片，要把那些小片片拼出来。把整个序列找出来，这是计算量非常之大的工作，你可以看出来测序一出来之后，大概有300到500个gb（1gb等于十的九次方）。我有一个30亿的参考序列，你跟我可能有点不太一样，所以你要再重新排一下，看出有什么区别。数据量之大，计算量也非常之大。我们把这个做到了fpga上，每个单元做这个事情，把序列做比较，算出差异。我们组织起来有两个层次，有第一个阵列还有若干阵列，最后我跟最先进的测序的仪器结合在一起，这个效率还是蛮高的。现在是多核的程序，跟一个核的处理器比，我们大概提高了300多倍计算的速度。今天市场上买到是多核的处理器，即使跟24核处理器比我们也有3倍的提高。我们用可编程的技术做成一个专用的芯片，这个芯片不能干别的事，只能做dna排序，但是排出来之后比通用计算机做出来的效率高很多。我们有一个个性化定制的癌症突变治疗，癌症开始了以后有突变，突变以后你要找到对症下药，这方面有很重大的突破。小时候我们看电视据说一个人得了白血病肯定就不行了，但是其中有20%的白血病，今天基本上百分之百治愈。办法就是找到药把突变的一点卡住了，癌细胞就不能复制了，对那一类白血病非常有用。

我跟做那个方面的科学家聊过，癌细胞也很聪明，你把这一块卡住，我就变变变，别的地方出来，这是一个猫捉老鼠的游戏。这个药做得比较快，我们有这么一个过程，不是用一个处理器，可以用一堆处理器。另外，还有一些癌症我们不知道是哪个基因突变，不是拿一个基因，要拿上千的基因。刚开始做基因测序的时候，光是计算这一步，用最快的英特尔处理器要用170个小时，170个小时基本上是一个星期，这还是速度很慢的，现在基本上可以加速到4、5个小时，像验血一样，当天就可以知道结果。

说到这一点，可能有的同学就想这个技术太有意思了，我要用到它，要用它必须解决一个问题，怎么设计？刚才我讲到今天的设计就是你写软件，把它分解成指令集，在硬件上执行。你现在有了fpga，有成千上万的逻辑单元，指令集在哪儿？其实是没有指令集。把一个很复杂的计算分解成各种各样的运算，逻辑的单元在这上面能进行运算，这是一个非常困难的事情。写软件的你或者用c，用c 或者java，写硬件的就是凤毛麟角了。我们做了这么一个工作，设计fpga太难了，让可以写软件的人自动设计fpga。我们用自动编辑原理，做了一个编译系统，你从传统的软件开始，我们生成硬件的描述语言。这个还是很成功的，工业界不少人用这个东西。我们成立一个创业公司autoesl，有不少公司用这个公司的产品。谷歌有一个很好的功能，可以查一查所有的论文有哪些在应用这个词，我们查了一下，光论文有1700个，所以工业界还是非常普遍地运用了这个技术。

但是，我们设计这个工具的时候，十年前的出发点是考虑让芯片的设计者更容易一些，他不用写这么繁琐的硬件描述语言，只需要写软件。但是今天我们想让他做计算还是不够的，因为计算时候必须把处理器、cpu和fpga同时用到，我们有一个新的软件开发了cmost，其中你给我一个程序，我决定哪一部分在硬件，哪一部分在软件，数据怎么传输，怎么共享内存，有一系列的工作。这个工作也做得很不错，不但学术界认可，我们很多工业界的朋友也想用。我们又成立另外一家创业公司。这是很有效的软件，你就写c程序，进来以后自动一部分搁在cpu运行，一部分搁在处理器上运行，给你很大的加速。现在大家听到很多的词如深度学习。深度学习可以干的事还真不少，比如我的中文虽说得不那么好，尤其中文字忘了很多，但是我手机微信上还可以回中文，完全是靠语音识别。我跟微信讲，我今天下午4点钟会议结束，他就会打出中文来，这个语音识别的过程全是用深度学习的技术。图像识别，也是用深度学习。深度学习是什么技术，其实用了多层的神经网络，这个神经网络里面做的是卷积的计算，你进来之后，第一副图像很简单，rgb，但是我在里面再做一个卷积，提取更多特征的值出来，我一层一层提取，做卷积，除了做卷积还有别的逻辑运算，取一个最大值，或者在最后再做一个分类。这个事情你也可以用计算机做，但是用计算机做不太有效，这个事情既然你那么常用——我们不停做语音识别，不停做图像识别，我们想可以用fpga可以做一个加速的芯片。今天用软件描述一下你想做的神经网络，这个神经网络有多个层次，每个层次有多少个神经源，讲清楚之后，我们给你自动生成脉冲阵列。这里有一个很有意思的特点，我只需要跟我的左右手的人互相通信息，这是很不容易的。今天如果要打电话给很远的朋友或者亲戚，能不能跟你邻接的人通讯就可以把这个事情干成？我们做出来一个芯片，只需要把你邻接的人交换信息就可以把数据传递。这个芯片有很多优良的特点，能耗、计算速度都会有提高。我们做出来以后跟最好的处理器结合，我们的速度可以提高46倍，功率可以降低2倍，能耗降低了100多倍，这又是一个很好的例子，通用和专用的区别。这个专用其实还有人可以做得更好，你可以设计一个专用的芯片。但是我们这个是用fpga做出来的，你还可以改变它的功能。

fpga也不是唯一的可以用来加速的元件，我们在加州大学洛杉矶分校还做了别的工作，我们用了可重组的加速器做新的处理器。这里我有很多可以加速的单元，这个单元要比我刚才讲的查值表要复杂很多，我可以用互联的交互性连起来，你需要什么样的，比如要做一个开根号的运算，或者除法的运算，我们可以把一些加速单元组合起来做这个事情，我们可以在医学成像加速上有很大的提高，大概几十倍，上百倍的提高，而且有足够多的灵活性，用于不同的应用。如果你有一些加速单元，如果忘了一些很重要的加速单元怎么办，那也没关系，我们这里又加了一些细腻度很高的可编程软件，像fpga元件一样，你可以通过它生成我们需要的加速单元，这样可以做进一步的计算。

值得一提的是，2014年ibm公司做了一个神经网络加速器，这个神经网络跟我刚才说的卷积计算不一样，卷积计算是人工智能的办法。我不觉得我们脑子在不停地做卷积计算，如果不停地做卷积计算两分钟以后就摔倒了，能耗就用完了。ibm的结果有点像我们大脑里的神经网络的计算，以脉冲形式的，看到信号才发一个脉冲，有这个脉冲才可以激活若干个神经单元，不是每一个使用段都在不停做计算，所以它的能耗非常低，只有20个微瓦，而且它的集成度很高，4.5万个晶体管在芯片上，所以是一个很好的加速器。

有一个很重要的问题，各种各样的加速器，哪个加速器更好？说到各种各样的加速器，我觉得很重要的一点就是我做完了之后可以重新用在别的应用上，也可能我刚开始的想法不够完善，刚开始的软件不够精炼，但是我可以用来做各种各样的事情。

我想对刚要开始科学生涯的同学们说一下，你并不是生不逢时，有各种各样的机会可以做。第一个，可定制的，可重构的体系结构，可以用来做各种各样的加速器。我没讲的，其实我们也做过很多应用，今天的集成电路都是二维的，逻辑都是搁在一个平面上，互联可能有若干层，但是我们十多年前做过很多的考虑，比如三维的电路。我刚才提到了一点，ibm的芯片，那个性能还是非常惊人的，我们能不能做成一个类脑芯片，跟我们脑子结构和工作原理比较接近的，那个绝对不是我们今天说的fpga，我觉得应该是别的体系结构。再扯得远一点，大家也听到一个词“量子计算”，量子计算提供了非常诱人的选择。我欢迎所有的同学们来到一个新的计算新纪元。