量子计算机DNA计算机及人工智能AI的发展预言

量子计算机DNA计算机及人工智能AI的发展预言

Google斥数千万美元巨资分别购买的两台基于量子计算原理的实验性超级电脑——D-wave以及D-wave 2。
这两台量子计算机在经过充分优化之后在解决自然解优化问题(该问题对于AI、大数据高效检索以及图像识别等领域有重要意义)时拥有数千倍于传统电子计算机的性能。
也许20~25年之后,您就能捧着一个小窗口畅快的享受量子计算带来的“一股神秘的速度”了。

看来再过十年就不需要像超验骇客那样自己建数据中心了,直接用市面上廉价的云计算平台来搭建自己的ai系统就可以了。

DNA双螺旋的结构可以容纳大量信息的存储需求,但现在还无法为计算机所用。
计算机如果因为强大的运算能力而产生了AI,那也不过是机械或者某些有争议的智慧体而已,如果DNA运算体系产生了AI,其产物可就有可能是毫无疑问的“新的智慧生命”了……
DNA计算机这个更厉害,不过也更遥远更难实现,估计近几十年内都还是在理论实验室阶段了,只有量子计算机目前开始商用了。

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ZOL科技预言 PC的尽头还有多远

谁都有终点,PC也一样。也许您正酣战于德拉诺大陆,也许您正在用office处理日常工作,无论您正在用电脑做着什么,当某个不经意的瞬间瞥见机箱里合着轻轻的嗡嗡声工作的CPU/显卡的时候,您有没有考虑过这样的问题——我们的PC会不会在哪天走到尽头呢?

没有什么东西是永远存在的,谁都有走向终点的一天,我们和PC都不会例外。PC以及电子计算机体系建立在现代半导体技术基础之上,这一领域在过去的几十年间曾经多次遇到发展的瓶颈,而且也不止一次的被宣布已经濒临崩溃的边缘,但我们的确很少去量化的思考PC以及电子计算机体系究竟将会在何时终结的问题。
我们的PC乃至整个电子计算机体系距离终点还有多远?有没有谁能充当电子计算机以及PC的继任者?在那之前我们都能做些什么呢?
PC的尽头还有多远 和所有“存在”一样,PC以及电子计算机也有自己的终点。

本文目的旨在讨论“PC/电子计算机体系的终点究竟在哪儿”以及“谁可堪任电子计算机的继任者”,这两个问题均与人类科技的最前沿息息相关,所以无法避免的会触及到某些具有一定深度的专业名词和学术知识。我们已尽最大努力来减少相关名词和技术的出现,但愿剩余的部分能够为您所消化并帮助您抵达答案。如果给您带来了阅读方面的困难我们深表歉意,希望您能够理解。如果本文能够引发您的思考并为您带来收获,我们将不胜荣幸。

1nm之下就是命运。 视界之外(光锥之内)是命运,这是物理学的一句名言,通俗翻译的意思也可以延伸为“我们目视所及之外的未知只能交给命运来决定”,用这句话来形容PC以及电子计算机的极限是相当合适的。
很多东西在理论上都能实现,比如8nm门间距的碳纳米管晶体管,但这些东西无法工业生产。
其实PC的理论极限距离我们还很遥远,即便是在“远古”的上世纪八十年代,可预期的甚至是可以通过模型在实验室中实现的基于光刻技术的电子元件的几何尺寸也可以达到几十埃(0.x纳米),如果以今天的技术来衡量,我们甚至可以把元件的尺寸做到原子级,但是理论上能够实现并不代表在工业级的场合能够造得出来。半导体工业毕竟是一门把技术转变成消费品和财富的手艺,它始终要遵从可制造性原则的限制,能够在实验室当中实现与能够造出来卖钱/使用完全是两个次元的概念,当前技术范畴下的电子计算机在可制造性方面还是存在极限的。当工艺触及到这一极限而又无法突破时,电子计算机的终点也就到了。
在半导体工业这种凭手艺吃饭的行当,理论跟实际的差距还是很大的……

PC/电子计算机的极限源自多个层面,包括但不限于光刻反应速率,刻线宽深比,光刻稳定性,EoT(等效氧化物曾厚度)极限,基底隧穿以及栅极减薄隧穿,还有由此一系列问题所带来的下游效应和……不计其数的问题,这里涉及太多物理学(同时包括宏观物理学和量子物理学)、物理化学、材料学以及反应工程学方面的知识,说多了全是泪,所以我们不再继续深入讨论,而是根据综合信息直接给出目前所能够规划到的半导体工艺极限——1nm。

在线宽低于1nm时,目前及可见未来的技术均无法突破可制造性问题以及物理表达形式层面的极限,芯片可以被制造出来,但它的运行状态以及良率完全无法得到有意义的保证,因为这一尺度的量子效应会更明显的反映出观察者的存在和干扰,我们甚至没法知道一颗挂掉的芯片究竟是哪里坏了又为什么坏了,无论收集问题还是解决问题都无从谈起。1nm工艺就是当前半导体工艺的光锥和视界,现在没有人知道1nm之后的半导体工业会发生什么,所以1nm就是当前技术环境下PC以及电子计算机的“命运”,无论CPU、显卡、内存还是硬盘都无法回避。

1nm工艺距离现在还有多少时间呢?粗略算下来,在不考虑半代工艺的前提下,半导体工业还有14/10/7/5/3以及2nm工艺总计6代的可发展余地,按照当前节奏来看起码还应该有144~216个月左右的周期(考虑到工艺下探难度的提升以及需求放缓导致的增速放缓,我们将工艺升级周期从摩尔定律周期模糊处理至24~36个月)。换句话说,如果问题在18年内得不到解决或者提出具有可行性的解决模型,电子计算机以及基于电子计算机技术的现有形态PC就算是到头了。

谁将在电子计算机达到工艺终点之后接替它呢?
那么之后呢?大家坐下来安静的无聊发呆么?我们觉得应该不会。人类在一般情况下都不会在遇到难以逾越的障碍时选择回避并静待消亡,他们总能找到解决问题的其他突破口,更何况计算能力是现代以及未来人类文明不可或缺的组成部分,任其消亡无疑意味着人类文明的消亡,所以尽管还有几十年的时间,但电子计算机的继任者们已经在路上了,这些继任者包括但不限于如下这些各位也许已经耳熟能详的家伙——量子计算机,光子/光电子计算机和DNA计算机。

纠缠,25年之后的希望
电子计算机最“科幻”、最具希望、最被公众所期待同时也是最难以被理解的继任者,毫无疑问的当属量子计算机。顾名思义,量子计算机基于量子以及量子比特作为运算基础,使用粒子的纠缠态、退相干过程或者隧穿效应等量子效应来完成运算,能够达到常规电子门电路无法达到的运算速度和并行度。不过有介于纠缠态以及退相干过程与宏观及日常经验认知之间巨大的差异,我们不打算在这里白费力气的去解释这两种现象……跟量子力学一样,量子计算机以及量子比特也属于“根本就不是要让人明白”的那种存在

能够让粒子穿越壁垒的“量子力学魔法”——隧穿效应
尽管原理难以被理解,但量子计算机的发展速度相对其他方案而言完全称得上动力全开,这种新的计算模式已经有了许多接近具备解决实际问题能力的原型机,比如Google斥数千万美元巨资分别购买的两台基于量子计算原理的实验性超级电脑——D-wave以及D-wave 2,虽然这两台量子计算机基于量子退火(亦即隧穿效应,一种……好吧,一种能够让粒子隔空瞬移的魔法)而非纠缠态量子门电路(令粒子处于相干纠缠态的逻辑门电路结构),但Google仍宣称这两台量子计算机在经过充分优化之后在解决自然解优化问题(该问题对于AI、大数据高效检索以及图像识别等领域有重要意义)时拥有数千倍于传统电子计算机的性能。而采用原教旨的量子门电路解决方案,则拥有比D-wave系列更快的运算速度以及更大的应用广度。

尽管发展迅速并且前景诱人,您也先别急着激动或者畅想关于量子PC的未来,这玩意距离实现还有相当遥远的距离并且困难重重。
量子计算过程并非基于二进制,这与现行的电子计算机计算体系有着巨大的冲突,而且量子计算并不能进行现实意义上的逻辑运算,它仅能利用纠缠态完成运算然后输出同样处于纠缠态的结果,这些结果处在无法操作的状态,需要复杂的转换过程才能变成具有实际意义的结果,这带来了大量的重建协议工作,所以目前量子计算还仅用于加解密以及部分数学问题等特殊且极具针对性的领域,并不具备进行实际通用计算或者与现有电子计算体系融合的能力(D-wave系列已经算是一次这个方向的尝试了)。

把它缩放到机箱大小同时还要让内部维持零下两百多度的低温,这几乎是不可能的……

量子计算的民用化也存在相当现实的障碍,比如说为了抑制热噪声以及粒子热振动对维持纠缠态的影响,大部分量子计算机的原型都需要超导级低温的协助,以可接受的成本和形式在卧室或者办公桌上实现持续稳定的零下200度以下环境不是一件容易的事,所以如果未来的技术无法在常温环境下构筑量子门电路的话,预测量子计算机PC化无异于写科幻小说——首先,您要先有一台凭借核心科技让每天耗电低至一度的,能够将一台机箱大小的元件顺利冷却至超导温度(还不能冻到外面)的冰箱,最好还是变频的……

所以说,我们也不知道量子PC什么时候才能出现,思考它是否会替代当前的PC也没有什么意义。我们真正需要的,是把量子计算机甚至量子计算机集群同云体系结合在一起。基于云环境的量子计算机体系,即中央超级处理器集群和单纯呈现节点相结合的环境在理论和技术上都相对容易实现,我们只需要在超级计算机层面实现可用型的量子计算机,然后以此来构筑云端计算能力并把科幻冰箱等等烦人的问题都丢给集群解决,接着在每个人的手中发一个类似平板电脑一样的呈现端就大功告成了。

我们也许会在25年之后用到量子计算,但可能永远都见不到“量子PC”这种东西
如果市场环境(主要是构筑云所需的带宽环境)能够接受,同时量子计算在技术、协议以及编程环境等领域均发展稳定且可以正常提速的话,我们认为这样的远景在25~35年之后可以实现,如果人类在退相干领域取得决定性的技术突破并伴有重大需求刺激,这一进度最多可以提前到15年左右。取个中数的话,也许20~25年之后,您就能捧着一个小窗口畅快的享受量子计算带来的“一股神秘的速度”了。

上帝说,要有光

当然,我们不能在一棵树上吊死,量子计算体系虽然诱人而且具备可实现性,但仅探索一种发展方向显然是不够的,更何况量子计算还存在特别基础的“与现有计算体系相容难度极大”的问题。所以人类也搞了些相对简单的玩法,那就是光子计算机以及光电子计算机。

光子计算机会是PC的明日希望么
光子/光电子计算机并没有量子计算机那么“玄幻”,它所基于的基础理论是相当简单自然的光学和光电效应。光子计算机使用光子来替代电子完成运算及操作过程,除了需要发光元件(激光器)以及对应的光导纤维作为“导线”之外,它并没有提出太多过分的技术要求,所以曾经一度被认为是最有希望替代电子计算机的新计算方式。

光子拥有相对论范围内最快的速度,本身没有质量,与自身及其他物质的相互作用远低于电子,所以光子/光电子计算机的能耗低,避免了电子在速度、传输能量损失以及工作发热等层面的束缚,信号传输及处理快,具备先天的并行传输/存储信息能力,而且可处理数据类型相当广泛并且“实在”,对现有的二进制体系相对友好,如果基于光电转换/电开关,现有计算协议可在相当程度上予以保留。
优势明显吧,是不是又开始YY光子PC的美好未来了?别费劲了……我们必须很抱歉的告诉您,光子计算机未必能比量子计算机早实现。

其实这硅光子电路大的“可怕”,完全是宏观级的……半导体尺寸的光子电路还早得很呢
较低的“理论难度”并不意味着同样较低的“实现难度”,人类虽然已经拥有了数百年(镜子不能算,我们以牛顿开始分光处理并系统研究光学起计)成熟的操作和控制光线的历史,但在微观领域完成同样的事却并不容易。在半导体层面实现小尺寸可用光学元件,尤其是可以在常规环境下稳定使用的光栅开关仍存在困难,技术瓶颈相当明显。而如果使用光电转换将光信号转化回电信号加以处理,协议复杂不说接口部分的速度还难以提升,所以光电子的运算速度起码在现在看来没什么优势可言。
既然是上帝能够创造了光,我们何时才能用光来计算恐怕也只有上帝知道了。

天堂入口还是地狱之门

量子计算机和光子/光电子计算机都不是短时间以内能够实现的替代方案,那么DNA计算机呢?
天生高度并行,能耗极低,体积超小,协议重建难度介乎于量子计算机与光子计算机之间,运算模式与神经系统最为接近,运算结果可以和特定生化过程同步完成并直接将运算结果呈现为实验结果,在解决可以充分网格化的非顺序问题时有独特优势……基于DNA/RNA分子及基因编码序列,以生化过程完成计算的DNA计算机虽然距离传统意义上的“计算机”最遥远,但却拥有令人难以拒绝的种种优势。只需要一滴水大小的溶液,其中成百上千亿的DNA分子就能超快速的搞定各种难解的数学问题,如果用它来打造超强PC,那岂不是相当美好的未来图景?

构筑生命的工程师——DNA sorry,还是不行,DNA计算机别说做成“一滴水大小的PC”了,就是做成字面意义上的“计算机”都还不可能。

与量子和光子计算相比,DNA计算的起步最晚而且完成度也最低,几乎还没有真正意义上的计算原型机,绝大部分所谓的DNA计算模型都还只是试管里或者显微玻片上的一抹溶液。与前两者相同的是,DNA计算现阶段的应用范围同样狭窄,它只能被用来解决特定的数学问题而非通用计算问题,其结果表达形式也相当复杂,需要重建的协议仍旧极多,甚至连最基本的IO接口都难以构筑,对二进制体系的友好程度无法量化判明。
DNA双螺旋的结构可以容纳大量信息的存储需求,但现在还无法为计算机所用

DNA计算对环境的要求甚至远超需要超低温制冷的量子计算机,它要求绝对纯净的环境,即便是试管上最小的污渍也会给计算过程带来毁灭性的影响。DNA计算基本上还处在理论阶段,距离实用还有相当遥远的距离。
DNA计算过程需要极度高清洁度的环境,这种环境在普通条件下极难达成。

不仅如此,DNA计算还存在层级或者说逼格甚高的非技术性问题——将庞大的计算能力、有序性以及逻辑性赋予理论上拥有自我复制以及形成生命潜力的存在形式,您不觉得这是个极端危险的决定么?DNA本来就是生命的基础,地球上所有生命形式都是构筑在DNA/RNA分子的生化行为之上的,如果肆意改变DNA/RNA的编码体系,让DNA/RNA具备了庞大且有序的运算能力,甚至是自反馈性以及目的性,一旦触发某个方向上的耗散系统的自组织现象,甚至由此而产生了AI或者类似AI的有序自主存在形式,其结果可能是不堪设想的。
计算机如果因为强大的运算能力而产生了AI,那也不过是机械或者某些有争议的智慧体而已,如果DNA运算体系产生了AI,其产物可就有可能是毫无疑问的“新的智慧生命”了……
将运算能力和自主性的非自然有序度赋予DNA/RNA是相当危险的
不可否认,DNA计算的特性造就了其无可替代的价值,未来的医学、生化以及生物学研究将会越来越多的从其中获益,诸如拓扑学、任务的无损拆解及网格化还有神经系统模型的研究也能因DNA计算模型中得到帮助,但DNA计算应该存在不可逾越的红线——不要触及实际的通用运算任务,不要形成系统性的计算体系,更不要拿它来替代电子计算机。

在终点前寻找新的起点
一个难懂而且起码要等上2.30年的时间,另一个难实现而且还不知道什么时候可以被实现,最后一个更难实现而且干脆就不要被实现的好……我们这期科技预言坛的目的在于展示PC/电子计算机时代的极限以及“后PC时代”的继任者风貌,虽然可以相对轻松的知晓终点何在,但从继任者的角度上看,PC发展进入死胡同之后的未来图景似乎相当令人难堪。

电子计算机之后,谁能为我们带来未来
毋庸置疑,如果电子计算机体系寿终正寝,整个产业以及我们的生活都将会随之发生巨变。无论用哪种技术手段接替,届时要更换的都将不仅仅有设备,还有几乎所有内外部协议和应用环境,这不光是技术的问题,同时也是产业、消费者甚至社会环境的大问题。除了成本堪称天文数字,对整个人类的文明也将会产生未知且深远的影响。

在这种开不得玩笑的时候,我们今天面对的这三位的表现却似乎都……除非有重大的产业级乃至社会级的变故加以刺激,否则电子计算机的极限极有可能会先于备选接替者们到来,无论量子计算机,光子/光电子计算机还是禁忌级的DNA计算机应该是都赶不上节奏了。到时候迎接我们的,将很有可能会是无奈的停滞不前……
GPU能耗比记录刷新 GTX980/970首发测试 Maxwell架构为我们带来了优化逻辑结构的有益方向,但它并不能一劳永逸的解决问题

工艺的极限是存在的,如果无法突破同时又没有继任者,在现有环境下继续进行技术改进并寻求新的解决方案就成了必要的手段,比如说出现在当前GPU业界的“向逻辑结构而非工艺要效率”的设计思路无疑是有益的尝试。如果能在相同工艺环境下通过优化逻辑结构设计来提升硬件架构的性能功耗比,我们就有了更晚触及工艺极限的正当理由。当然,由于逻辑门电路的基本结构已经几无优化余地,对其宏观组合方式的优化并不能让我们永远回避性能滞涨的问题,最后回到向频率要性能的路上是唯一的结局。但对于打着摩尔定律的旗号向终点发足狂奔的整个PC及电子计算机业界而言,这种尝试无疑提供了宝贵的时间缓冲以及需求缓冲。

忆阻器或者碳纳米管都代表了原件级的新希望,但它们还未成型
包括忆阻器以及碳纳米管在内的一系列新元件也许是PC潜在的元件级技术希望,这其中尤其以忆阻器最为引人瞩目,作为新近发现的第四基本元件,忆阻器断电之后状态信息不丢失的特性给PC以及电子计算机体系带来了新的希望,它甚至被誉为“晶体管和现有数字逻辑电路的替代者”。但是忆阻器本身的研究进展刚刚起步,大部分细节以及专利均掌握在惠普手中,而且并没有表现出能够让我们通过1nm关卡的趋势,还有没有其他可行性更高的方案来充当备份呢?

无论当前还是未来,云计算环境都将会成为至关重要的存在
基于超大规模集群和高带宽低延迟通讯协议的云计算/云应用环境也是未来之一,它能改变现有的PC存在形式,将“采购本地运算能力”变成“采购超大规模运算能力当中的一部分”,这等于把PC的运算极限从单台/本地级别大幅提升到集群规模,将受迫于工艺极限的单节点硬件性能的瓶颈转嫁给集群,因此理论上可以让个人/单节点运算能力大幅提升到完全满足任何需求的地步(只要有钱……)。如果云技术能够充分实践化,PC或者说接近我们现在意义上的个人PC节点的极限起码可以再推后10年左右,尽管在那之后增长仍将会停止,但这段缓冲期无疑是宝贵的。而且云体系的建立,本身也与量子计算机及量子计算的民用普及不谋而合

PC以及电子计算机还有十来年的奔头,这算是个好消息吧
总之,以今天可见的眼光来看,对于PC以及电子计算机发展到尽头这件事儿,我们大概还有15~20年可以安然等待的时间,在这段时间里,就让我们擦亮眼睛仔细把握每一次关键性的技术进步吧。

1 条评论

  1. 沙发2014-12-03 上午2:17回复
    流风

    人工智能一定会是以后的发展趋势,科技进入指数级发展一定要突破人工智能的指数级增长,让机器自动迭代进化增长创造出更多的财富,人类才能从劳作中解放出来进行更高级的精神,灵魂层面的思考。

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