如何降低電腦的能耗？

林之森

現代世界淹沒在海量的數據中。處理數據需要龐大的基礎設施，從智能手機和電腦到全球數百萬個數據中心。這些設備使用的電力在不斷地翻倍。以這樣的速度發展下去，未來的能源恐難支撐。如何在不增加能耗的情況下，讓電腦變得更強大？

歷史老路走不通了

眾所周知，信息在電腦中是以0/1的形式存儲和處理的。0/1對應晶體管微電子開關在施加電壓時快速的開/關。這個過程會產生電阻，從而產生熱量。鑒于芯片中動輒有數十億個晶體管，所以一臺電腦工作時散發的熱量相當可觀。

在歷史上，電腦在計算能力突飛猛進的同時，能耗也在持續下降。這樣的成就是由兩件事情促成的。首先是晶體管的體積越做越小，大約每兩年電腦芯片上的晶體管數量就翻一番，這一趨勢被稱為摩爾定律。晶體管數量增加，意味著信息處理能力更強大。第二個是，單個晶體管的能耗隨著其尺寸的縮小也成比例下降。

可惜，這些趨勢不會永遠持續下去。現在的晶體管已經做得非常小，幾乎接近物理極限，要讓它變得更小，已經很困難。摩爾定律開始不適用。在這種情況下，歷史老路走不通了，我們需要另辟蹊徑。

替代傳統計算機的方案

一條出路是改變硬件。目前，所有計算都是建立在硅的基礎上的，硅的能耗相對較高。使用新材料，如鍺、碳納米管、石墨烯等，可以降低能耗。或者，可以用激光束組成的“電路”來代替電子電路，制造所謂的“光電腦”，來降低能耗。

也有人提議利用量子的一種特性——量子隧道效應——來降低能耗。在經典物理學中，當一個小球要翻越一座陡坡到山的另一側時，必須翻越山頂;假如它的動能不足以支撐它翻越山頂，它就會在半坡上停下并滾回來。但在量子世界中，由于量子的特性，一個粒子不必非得具有“翻山越嶺”的能量，就可出現在山的另一側，就好像粒子有穿墻術，這叫量子隧道效應。粒子通過量子隧道效應運動到“山”的另一側，不需要損耗能量，所以能降低能耗。

更奇特的一個建議是，通過改變電腦中使用電子的方式來降低能耗。我們知道，現在的電腦編碼和處理信息，利用的是電子攜帶電荷、運動起來能產生電流這一性質。電流會產生電阻，從而產生熱量。但像電子這樣的微觀粒子，還有其他特性，比如自旋。電子的自旋只有兩個朝向，剛好對應二進制的0/1，因此可以用來編碼信息。這樣處理信息，只跟電子的自旋打交道，不會產生電阻，也就可以降低能耗。

更激進的替代方案是量子計算機。量子計算機不論硬件和算法，都迥異于傳統的計算機，處理信息的能力空前強大，能耗也小。

這些替代方案前景都很誘人，不過目前看來，要實現都還有好長的路要走。硅的地位一時還動搖不了。

借鑒大自然，降低能耗

近年來，人們逐漸認識到，即使對硅基電腦不做根本性的變革，只要合理設計硬件和算法，也能降低能耗。這需要我們重新思考“計算”，在速度、準確性和效率等方面做出權衡。

我們知道，電腦以計算速度快和準而著稱。在電腦發展史上，人們也一向以追求速度和準確為目的，但在很多時候，效率卻被犧牲了。譬如，在某些情況下，電腦做出決策的速度卻遠不如人腦。遇到一頭野獸，連原始人都能快速做出戰斗還是逃跑的決策，但倘若讓一臺超級計算機來替你拿主意，它說不定要算上好幾年。因為電腦計算一味追求準確性，首先它要確定這是什么野獸，是老虎？野豬？還是野馬？野牛？然后確定是多大的，是老弱病殘，還是壯年？它會不會主動攻擊人？一個人能否制服它？兩個人呢？……而這勢必涉及大量計算，于是效率就被犧牲掉了。

大量的計算也以高能耗為代價。例如，大多數電腦的核心是一塊中央處理器（即芯片），它相當于電腦的“大腦”，所有其他組件都受它指揮。不可否認，這種“集中”式計算模式是強大的，但這意味著，芯片每秒鐘都要以難以置信的精度發出數十億條指令，不僅計算量極大，能耗也是巨大的。相形之下，大自然賦予我們身體的每一個細胞獨立執行DNA指令的能力，使細胞們不必“連線”就能協同工作。這樣的“分列”式計算模式，雖然速度和精度上趕不上電腦，但有著更高的效率和更低的能耗。

此外，大自然已經創造了一臺超級計算機——人腦，它每秒處理海量的信息，但能耗只及筆記本電腦的三分之一。這也為我們提供了一個犧牲精度，降低能耗，提高效率的例子。

在未來的物聯網中，物聯網動輒需要為數十億個小型設備供電，這些設備往往位于難以充電的地方，在這種情況下，犧牲速度，降低能耗的“分列”式計算就非常有吸引力。科學家說，采用犧牲速度的折中方案，以現有硅基芯片，也完全可以設計出能耗降至現有電腦千分之幾甚至萬分之幾的電腦。