没有硬件哪来的“互联网+”?

访客:17803  发表于:2015-10-19 10:04:37

“互联网+”已经成为当今媒体热炒的话题,似乎所有的传统行业都要搭上这班车,用所谓的“互联网思维”把实体经济搬到网上去,把销售目标对准不断增长的网民,实现网络经济和实体经济的结合。

随着智能手机的不断更新,“互联网+”又可以不断玩出新的花样,进一步推动网络经济的增长。移动通信从2G发展到3G,又从3G进化到LTE(4G),大大提高了传输速度。现在人们又开始讨论5G了。5G移动通信的目标,是要把传输速率提高到10G,这意味着下载一部高清电影可能不需要1秒的时间;还要把数据传输的延迟时间从现在的几十毫秒下降到不到1个毫秒,这意味着我们今后的通信,真正变成了一种“零等待”的通信。

今后的“互联网+”就将在这样的高速、极低延迟的条件下,传输极大的数据量。这种“大数据”的数据量,还以指数曲线在不断增长。

这一切听上去很美好,但是要实现这样的场景,还有很多问题需要解决。其中最关键的问题就是硬件。大数据、“互联网+”这些软件概念的迅猛发展,意味着大量的数据中心、路由器、大量的智能手机等硬件要制造出来。这些硬件的关键就是半导体芯片。不管是CPU处理器、还是存储器(内存、固态硬盘SSD)芯片,中国的技术或产品,还远远落后于先进国家。

据报道,全球半导体市场规模达3200亿美元,全球54%的芯片都出口到中国,但国产芯片的市场份额只占10%。半导体芯片已经超过石油,成为中国第一大进口商品。中国虽然在彩电、电脑、手机的生产数量上是世界第一,但还得依靠进口的芯片。除此之外,嵌在其中的高端芯片专利费用也让国内的一些厂家沦为国际厂商的打工者。

另一方面,很多人每天在起劲谈论“互联网+”的时候,却不知这个“互联网+”的存在条件是什么。大数据、“互联网+”再这样发展下去,它的“地基”是不是会垮掉?你是不是感到现在网速还远远不够?你是不是觉得你的手机多打些电话就会发烫?你是不是觉得你的笔记本电脑的风扇声音太吵?

CPU的问题

硬件的主要部件——微处理器,即CPU,它的处理速度从3G开始就已经落后于国际标准组织所定义的处理速度的指标,到4G时代,这样的差距将拉得更大。按照目前半导体产业的设计和制造水准,哪怕是用目前最先进的水准,要想达到5G的指标需求,几乎是不可能了。

50年前,当时的英特尔公司创办人之一的摩尔,提出半导体芯片里的晶体管数量将每两年增加一倍。这意味着CPU的处理速度也可每两年提高一倍。他的这个预测居然相当准确,这50年半导体芯片的发展的的确确是按照这条曲线在往前发展,所以人们把他的这个预测叫做“摩尔定律”。

然而,随着晶体管尺寸越做越小,现在已经接近几个纳米,许多问题就接踵而来。第一是制作成本越来越高,要有100亿美元的投资才能建设一个芯片厂;第二是物理尺寸到了纳米级后,要解决很多量子效应、寄生效应、热效应、几何效应等等一系列新的问题。如果说这些问题目前还可以勉强应付的话,再过几年晶体管物理尺寸再往下缩小的话就完全无法做了。

要提高CPU的处理速度,要么增加主频频率,要么采用多个CPU核,组成一个多核处理器。但是这两个办法都遇到了发热及如何散热的问题。世界最大的CPU生产厂商英特尔公司所开发的CPU的主频,至今为止还没有超过3GHz。就是说主频提得太高,芯片就会急剧升温直至烧毁。而AMD去年做了一次测试,把主频提高到8GHz,号称打破了世界纪录,但是在这个CPU运作时,必须在上面不停地浇上液氦来降温。可见光把主频提高,并不是一个好办法。

于是工程师们走另外一条路,就是采用多个CPU核,提高了处理速度,同时可以缓解发热的问题。但是随着对处理速度的需求不断提高,就需要增加CPU核的数量。英特尔公司已经在实验室准备好了64核的处理器,其他一些研究机构或者新创公司则已经推出128核或者更多核的处理器。

这种多核的解决方案,同样面临着发热的问题。如果在一块极其微小的硅芯片里,集成了128个核,而这些CPU核又同时都在工作,那么这些核发出的热量,因为密度太高,足以把这块芯片烧毁。

有人提出建议,不要把芯片里的所有核同时开启,在同一个时间段只允许少数几个核工作,把这叫做“暗硅(Dark Silicon)”。就如同在一间房间里装了很多高瓦特数的灯泡,你需要把大部分的灯泡关掉,只留下少数几个开着,保持较暗的照明水平。一旦把房间里的所有灯全部打开,它们发出的热量就有可能马上把这个房间烧毁。

通电发热是正常的物理现象,既然无法避免,那就要设法把这些热有效地散发出去。可惜的是,虽然现在有很多工程师和科学家想出各种办法来解决,如加散热片、风扇甚至使用内嵌微水管来帮助散热,但始终没能有效地解决这类问题,特别是满足未来更高的要求。

这些问题的出现,与芯片里集成的晶体管的基本原理有关。晶体管只是相当于一个开关。几十年来我们所用的晶体管,都是通过电荷来控制的,电荷积聚多了开始流动,就叫“导通”,即这个开关处于开启状态;没有电荷流动,那就处于“截止”状态,即这个开关处于关闭状态。这里起到关键作用的是电荷的数量。电荷的流动就产生了热量。

创新

有没有办法不依赖于电荷的数量来做成一个开关呢?最近几年,已经有人作了大胆的创新,那就是利用电子自旋。在纳米世界里,把电子自己的旋转方向定义为一个开关的状态,如向右转为开启,向左转为关闭。另外还有人想到的是利用磁矩,把磁性粒子排成北极,定义为一个开关的开启,排成南极,定义为一个开关的关闭。这样的思路,从根本上颠覆了芯片最基本的原理,因为没有电流流动,可以大大降低功耗,也即大大减少发热,极具发展前景。

很多创新技术有可能颠覆目前的半导体芯片技术。现在正在研究的是采用石墨烯来取代硅材料,可以大大提高工作频率;也有实验室使用“棉纤维”来做晶体管;或者采用特殊的塑料,做成“塑料芯片”,把复杂的电路“打印”到塑料上,这样可以把一块电路板变成一片可以卷曲的塑料片,甚至可以做到全透明。

你可以想象,如果把这样的芯片用到手机里,那么手机将变成怎样的手机?这就将成为一部极薄的、可以任意卷曲和折叠的、全透明的像纸片那样薄的手机。这就是“硬件”的未来。

到那时,这样的半导体芯片还可以在家里自己DIY、打印出来。从网上把电路图和布线图下载后,通过特制的打印机,直接就可以把芯片做出来了。这是“定制化”的芯片,即你可以根据自己不同的需求,打印出不同的芯片。换句话说,你可以自己制作个性化的手机。这是不是很酷?

这样的塑料芯片,现在已经诞生在实验室里了,相信在不远的未来,就将投入市场。

从这里再谈到中国的半导体芯片发展。按照传统的晶体管原理来做芯片,由于种种原因,已经大大落后先进国家了,那有没有可能把握住现在的机遇,在出现的创新技术方向上,从同一条起跑线上与发达国家竞赛呢?是不是有必要把发展新型硬件变成国家战略,而不是各地方小打小闹呢?是不是需要媒体多关心一些新型硬件,而不是讲来讲去都是“互联网+”呢?是不是从人才培养的大学教育开始,就要把这些创新的思路编到电子工程的教材里去,而不是还一直停留在灌输传统技术呢?

在这样一种创新机遇面前,只有意识到“硬件”这个地基的重要性,才能迎来和保证今后几年“大数据”、“互联网+”的繁荣发展。我们期盼着新的中国“芯”时代的到来和崛起,这一次,应该成为掌握核心技术,世界硬件技术的引领者。

(via:互联网)

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