目前我們所使用的智慧型手機已經能夠完美地執行各種應用程式、手機遊戲以及串流媒體視訊,筆記型電腦也能完整地支援我們在公司或家中的工作。從現在起的未來10~20年,我們還需要更強大的電腦晶片嗎?當然!追求高性能的「超級運算」(supercomputing)需求將會無止境地延續下去。

到了2035年,我們仍然會產生大量資料,甚至無需刪除任何資料。例如在社交媒體上發佈的圖片和視訊,以及來自Google、Facebook和亞馬遜(Amazon)等公司處理的大量資料。穿戴式和植入式裝置將持續監測我們的健康狀況,並將資料與我們的基因銘印相結合。此外,還有自動駕駛車、智慧建築和智慧城市等新興物聯網(IoT)應用也不斷產生著大量的資料。大部份的資料都將在雲端中進行處理並加以儲存,而這只能透過越來越高性能的運算和記憶體解決方案來維持。

另一個明顯的驅動因素涉及大數據(big data)分析。諸如藥物和材料的探索、天氣預報或核子模擬等應用,將不斷要求越來越強大的電腦,才足以處理持續擴展中的資料集。今天,這些應用都在超級電腦上執行,其中數十萬個傳統處理器平行執作,以解決單一個重大問題的不同部份。但這些超級電腦的缺點是功耗巨大;典型的超級電腦功耗可能達到15-20mW。

無論是雲端運算或超級電腦運算,我們都需要能夠將運算推向更高性能等級的解決方案,並盡可能以最低能耗實現這一目標。研究人員嘗試各種途徑,並嘗試提供切合實際的預測,以引導業界採用提議的解決方案。

推動創新的驅動力

50多年來,邁向更高性能運算的道路一直以「摩爾定律」(Moore’s Law)作為最高指導原則。每兩年,業界就會推出新的技術節點,在每一晶片面積上封裝更多的電晶體,從而產生更高性能的邏輯和記憶體晶片。電晶體的成本降低,主要就來自於元件的尺寸持續縮小。

如今,新的技術節點不再規律地遵循摩爾定律了。由於以簡單地尺寸微縮來降低每電晶體成本變得越來越困難,使得新技術的驅動力變得日益重要。以最低功率提供特定邏輯(或記憶體)功能的能力也越來越重要。對於提高性能和降低功耗的需求,正成為創新的主要驅動力。

Quantum roadmap

高性能運算技術之發展藍圖,重點在於以有限的功率預算持續提高性能

高性能晶片多樣化

未來,傳統的元件微縮將不再是提高性能的唯一工具。一個明顯的趨勢是增加元件的多樣化和電路客製化。過去,使用一種相同的電晶體架構,在一款晶片上實現所有的功能性。而今,在相同的技術節點有5到7種電晶體選項共存,每一種選項都有不同的性能規格,具有特定的閾值和性能等級,以實現不同的應用,包括從物聯網領域的超低功耗到行動和高性能運算等。

針對高性能領域,我們期望在晶片級實現多樣化,以及在2.5D和3D封裝中使用多個小晶片。如此一來,市場上將會出現更多特定的CPU,從而開發出更多客製晶片。我們甚至將會看到不同的元件整合在同一晶片或多個搭配運作的晶片上,透過系統技術協同最佳化而實現。

預計在2035年時,技術節點不僅能夠包括矽基電晶體,同時還結合了其他材料以及與古典CMOS解決方案共同整合的「超越CMOS」(beyond-CMOS)之下世代元件。替代元件可伴隨CMOS用於特定功能。例如,Imec正開發基於自旋電子元件的多數閘。這些元件可望降低功耗多達兩個數量級——但僅限於特定的邏輯功能。此外,研究人員也在開發在其傳導通道中具有2D材料的元件,以用於極端的元件微縮或作為後端的電晶體。

量子運算曙光乍現

有些應用太複雜,無法用古典的運算典範來解決。如今,「量子運算」(quantum computing)即將派上用場。在量子電腦,資訊的操縱方式與傳統電腦完全不同。傳統電腦的操作使用位元——可以是0或1,而且在這些位元上的操作是循序執行的。量子電腦則使用量子位元(qubit),有一定機率為0,以及一定機率為1。

再加上「量子糾纏」(quantum entanglement),這意味著量子位元可相互通訊並協同行動,而量子註冊表的狀態數增加,就像具有量子位元數的冪次定律(power law)一樣,可以同時在此所有狀態時執行操作,從而實現龐大的平行化功能。量子運算因而有望解決那些在古典電腦上難以克服的重大問題。

Wind Mills

量子運算的潛在應用之一是材料研究,例如為風車中的轉子尋找可用於取代銅的超導材料

量子運算可能超越古典運算的能力,但也並不至於成為解決所有問題的「聖杯」(holy grail)。它僅對某些應用有幫助,例如,解決在輸入時會發出現許多變數的問題。

量子運算的潛在應用之一是材料研究,例如,為風車中的轉子尋找可用於取代銅的超導材料。當今的風車中含有大量的銅作為引擎中線圈的繞組,但這明顯導致風車頭的重量增加,也限制了風車翼展的尺寸。在歐洲,研究人員使用超級電腦來尋找能夠取代銅的新型超導材料。

如果我們可以把量子處理器用於作為超級運算系統的功能區塊,就能夠大幅推動這種材料探索的進展。除了材料探索,還有許多其他有益的應用,包括天氣和氣候建模、太空探索、基礎科學、經濟或社會現象的建模(需要解決複雜的微分方程式)、機器學習以及發展個人化醫療等。

到了2035年,我希望那時已經能夠看到內建幾千個量子位元的處理器,讓我們能夠執行一些演算法和小型應用。屆時我們還將會看到在量子電腦上輕鬆實現材料探索。最終,我們將必須把量子處理不斷提升的運算能力嵌入於現有的運算典範,以實現所要求的「量子飛躍」性能...

編譯:Susan Hong

(參考原文:What Does the Future Hold for Quantum Computing? ,by Iuliana Radu, Imec.)