重啟信息技術(shù)革命行動(dòng)倡議（二）

編者按

2015年，華盛頓特區(qū)舉辦了一場(chǎng)關(guān)于重啟信息技術(shù)革命的研討會(huì)，對(duì)實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)的跨越式發(fā)展問(wèn)題進(jìn)行了探討。美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)（SIA）、美國(guó)半導(dǎo)體研究公司（SRC）以及他們的成員公司和半導(dǎo)體技術(shù)專家共同發(fā)布了一份倡議報(bào)告——《重啟信息技術(shù)革命行動(dòng)倡議》，在上期文章中主要對(duì)技術(shù)革命相關(guān)發(fā)展情況進(jìn)行闡述，本期將對(duì)大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)、智能基礎(chǔ)設(shè)施組成要素進(jìn)行分析。

未來(lái)的信息通信技術(shù)（ICT）將產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)今天的數(shù)據(jù)流。過(guò)去，存儲(chǔ)和計(jì)算能力的擴(kuò)大基于積極的功能擴(kuò)展，表現(xiàn)在摩爾定律中。然而，這種擴(kuò)展將無(wú)法解決即將到來(lái)的、在信息通信技術(shù)性能和能源利用方面的需求。因此，在面對(duì)越來(lái)越多的數(shù)據(jù)時(shí)，需要全新的能效分析技術(shù)和海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)。需要新的數(shù)據(jù)處理器和基礎(chǔ)技術(shù)來(lái)提供可行的洞察力，并從數(shù)據(jù)中推斷出新的結(jié)論，而傳統(tǒng)的存儲(chǔ)和計(jì)算方法是無(wú)法完成這些功能的。

大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)

技術(shù)將帶來(lái)大數(shù)據(jù)的一個(gè)例子是將在2018～2030年間建造的平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡（SKA），它用于研究星系演變、暗能量和引力波等。SKA將包含成千上萬(wàn)個(gè)接收天線，它們分布于數(shù)千千米的范圍內(nèi)，每天將生成1020比特的數(shù)據(jù)。

國(guó)防應(yīng)用是大數(shù)據(jù)技術(shù)的另一個(gè)重要驅(qū)動(dòng)力，包括與情報(bào)、監(jiān)視和偵察（ISR）相關(guān)的數(shù)據(jù)。例如，目前“全球鷹”ISR無(wú)人機(jī)系統(tǒng)可生成500 Mbps，它5倍于整個(gè)美軍在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中使用的帶寬。另一個(gè)例子是ARGUS（自動(dòng)實(shí)時(shí)地面普遍監(jiān)視）航空成像ISR系統(tǒng)，其輸出為1854 Gbps，使用一個(gè)274 Gbps的通用數(shù)據(jù)鏈，需求與能力比為103，甚至還將采用10:1的壓縮。最后，大數(shù)據(jù)的“典范”是物聯(lián)網(wǎng)，其中數(shù)十億的在線傳感器將生成和傳輸前所未有的大量數(shù)據(jù)，從中將獲得情報(bào)，常常是實(shí)時(shí)的情報(bào)。

1.數(shù)據(jù)中心

為了管理數(shù)據(jù)流和存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)中心繼續(xù)增長(zhǎng)。每個(gè)包含50000個(gè)或更多個(gè)服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心建造成本在5000萬(wàn)美元到10億美元，耗電在20～50 MW級(jí)上。云數(shù)據(jù)中心通常以標(biāo)準(zhǔn)的、自定義的或商品的配置形式實(shí)現(xiàn)。輸入數(shù)據(jù)速度在100 Tb/s左右，通過(guò)專有纖維傳輸，還提供其它的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)施來(lái)緩存和管理該數(shù)據(jù)的延遲。在擴(kuò)展上，云數(shù)據(jù)中心還必須提供彈性，這通過(guò)故障檢測(cè)和中心級(jí)管理過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.大數(shù)據(jù)對(duì)高性能計(jì)算

大數(shù)據(jù)和高性能計(jì)算（HPC）有許多技術(shù)共性，并可能變得更加相似，但也還存在差異。HPC已經(jīng)發(fā)展了幾十年，主要關(guān)注的是計(jì)算密集型任務(wù)。大數(shù)據(jù)處理各種不同類(lèi)型的海量數(shù)據(jù)，是當(dāng)前在許多領(lǐng)域和應(yīng)用領(lǐng)域正在新興的一個(gè)主題，如遺傳學(xué)和天文學(xué)。大數(shù)據(jù)使用大規(guī)模存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，而HPC使用本地存儲(chǔ)；此外，它們各自使用不同的軟件開(kāi)發(fā)工具，受不同的文化和期望引導(dǎo)。HPC還包括科學(xué)和工程計(jì)算，主要基于模型和離線（盡管網(wǎng)絡(luò)－網(wǎng)絡(luò)計(jì)算是一個(gè)顯著的例外），而大數(shù)據(jù)云服務(wù)器基于交易，它近實(shí)時(shí)地運(yùn)作。在軟件世界中，抽象是取得成功的關(guān)鍵，還有像操作/焦耳這樣的指標(biāo)驅(qū)動(dòng)軟件實(shí)現(xiàn)專業(yè)化而非普遍化。需要通過(guò)進(jìn)一步的深入研究，來(lái)解決有關(guān)HPC的基于模型的、專業(yè)化的軟件與有關(guān)大數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)計(jì)算的、普遍化的軟件之間存在的沖突壓力。

3.技術(shù)驅(qū)動(dòng)因素和需求

對(duì)新興的信息處理器，需要一個(gè)新的概念抽象，但最常見(jiàn)的計(jì)算模型是圖靈模型，它在計(jì)算機(jī)科學(xué)和工程文化中根深蒂固。若想背離當(dāng)前的處理硬件是困難的?？赡艿奶娲?jì)算模型包括模擬“近似計(jì)算”和量子計(jì)算。不同計(jì)算模型的并列或混合可能推動(dòng)類(lèi)腦計(jì)算的發(fā)展，這可能是未來(lái)混合系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。

近期，可以預(yù)期的是微服務(wù)器和云設(shè)備將興起并得到廣泛應(yīng)用。微處理器使用非常小的芯片來(lái)制造規(guī)模較小、成本較低、功率較低的服務(wù)器，它能夠以可再生的能源來(lái)工作。云設(shè)備在移至和移自云時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，以提高性能。應(yīng)該注意的是，使用這些系統(tǒng)需要明確跨管轄邊界的數(shù)據(jù)流動(dòng)問(wèn)題，這會(huì)引發(fā)許多法律或隱私問(wèn)題，需要解決好。

在許多情況下，數(shù)據(jù)采集相對(duì)容易，而“冷數(shù)據(jù)”的維護(hù)更困難。越來(lái)越多的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁盤(pán)這樣的介質(zhì)中，其成本效益高，但訪問(wèn)速度慢。未來(lái)的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)將受益于對(duì)以下領(lǐng)域進(jìn)行的研究和開(kāi)發(fā)，如用于通信的納米光子學(xué)以及用于解決數(shù)據(jù)移動(dòng)能量成本和訪問(wèn)延遲問(wèn)題的、新的存儲(chǔ)設(shè)備（ReRAM、PCM、FeRAM等）。

考慮到競(jìng)爭(zhēng)性技術(shù)和商業(yè)因素驅(qū)動(dòng)下的生態(tài)系統(tǒng)沖突，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)解決方案，需要在概念上有進(jìn)一步的突破，例如，通用的計(jì)算——加速器、專用的計(jì)算——全新替代方案、面向銷(xiāo)量的系統(tǒng)——面向高利潤(rùn)和增值的系統(tǒng)。最大的機(jī)會(huì)在兩極：一端是云數(shù)據(jù)中心和百億億次級(jí)的HPC；另一端是移動(dòng)和物聯(lián)網(wǎng)的未來(lái)前景。進(jìn)步可能源自數(shù)據(jù)中心中的量子計(jì)算或超導(dǎo)設(shè)備以及神經(jīng)形態(tài)/模擬移動(dòng)設(shè)備。

圖1　今天的計(jì)算機(jī)為什么不能像大腦那樣處理數(shù)據(jù)？

4.新的體系結(jié)構(gòu)

必須開(kāi)發(fā)全新的處理器——存儲(chǔ)器架構(gòu)來(lái)解決當(dāng)前處理器速度與存儲(chǔ)器訪問(wèn)時(shí)間之間存在的不匹配問(wèn)題。對(duì)未來(lái)HPC而言，當(dāng)前傳輸數(shù)據(jù)所需的高昂能源成本和存儲(chǔ)器是最困難的障礙之一。作為一個(gè)目標(biāo)，新的存儲(chǔ)器管理技術(shù)可以提高程序員的工作效率，其方法是通過(guò)使用編程方法來(lái)推動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的局部性、通過(guò)自動(dòng)調(diào)整以消除低層次優(yōu)化方面的需求以及通過(guò)管理軟件層來(lái)確保可靠性。

當(dāng)前計(jì)算面臨的帶寬——功率的困境源于不同存儲(chǔ)層的傳輸時(shí)間之間存在的不匹配問(wèn)題，如從CPU傳至RAM、從RAM傳至磁盤(pán)、從磁盤(pán)傳至磁帶。管理傳輸時(shí)間之間差距的一個(gè)方法是在RAM和磁盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)之間添加固態(tài)設(shè)備，從而增加存儲(chǔ)層次深度。未來(lái)，存儲(chǔ)類(lèi)存儲(chǔ)器（如STTRAM、PCRAM和RRAM等）也將插入到RAM與磁盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)之間的存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)中。最后，存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)方面的創(chuàng)新（如混合存儲(chǔ)體）可以增強(qiáng)RAM系統(tǒng)的性能。

存儲(chǔ)器上的處理（PIM）可能為存儲(chǔ)帶寬問(wèn)題提供最佳的解決方案。該想法將大大減少或消除數(shù)據(jù)移動(dòng)，以便以一定的而非可用的功率來(lái)釋放存儲(chǔ)器的原始帶寬。中央概念是定位每一條比特線上的每一個(gè)比特元素，以承受大規(guī)模并行且可伸縮的計(jì)算技術(shù)。PIM體系結(jié)構(gòu)與自動(dòng)機(jī)理論相關(guān)，將可擴(kuò)展到其它新興的存儲(chǔ)器技術(shù)。其成功的一個(gè)關(guān)鍵要素在硬件和軟件。

最后，在系統(tǒng)層面上，用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理和分析的分層網(wǎng)絡(luò)可以大大提高整體能源效率以及速度和性能。通過(guò)分散數(shù)據(jù)，一個(gè)更加分布的體系結(jié)構(gòu)可具備更高的安全性。

5.腦啟發(fā)計(jì)算

大數(shù)據(jù)的崛起正在創(chuàng)造巨大的機(jī)遇，但數(shù)據(jù)容量、速度、種類(lèi)和真實(shí)性等方面對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)和架構(gòu)提出了更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。需要全新的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，也許在某種程度上需要像大腦那樣運(yùn)作，以便處理大量的數(shù)據(jù)，特別是處理非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。大腦皮層——大自然的認(rèn)知處理器，是一個(gè)工程奇跡，包括一張折疊的2D平面六層結(jié)構(gòu)。如果展開(kāi)，大腦擁有一個(gè)約0.7 m2的面積，厚度為3～4 mm。它有約1010個(gè)神經(jīng)元，每個(gè)神經(jīng)元約有104個(gè)連接。它需要約25W的持續(xù)電力供應(yīng)，并以相當(dāng)于25 PetaOp/秒的速度開(kāi)展“計(jì)算”。圖1對(duì)大腦與傳統(tǒng)無(wú)機(jī)串行架構(gòu)的電腦進(jìn)行了比較。我們需要的是一個(gè)類(lèi)腦計(jì)算模型，可以為之開(kāi)發(fā)相應(yīng)的技術(shù)。

新的應(yīng)用需要新的方法。在許多情況下，價(jià)值并不在于整個(gè)數(shù)據(jù)集的、高精度的、對(duì)還是錯(cuò)這樣的答案，而是在尋找有趣的模式和連接，這種模式和連接將帶來(lái)新的解決方案和見(jiàn)解。差異在于多快可以找到一個(gè)“更好的”主意，而不在于一個(gè)非常精確的結(jié)論。

大腦提供有用的指導(dǎo)：它以低得多的功率、快速?zèng)Q策和驚人的洞察力，對(duì)原始速度、計(jì)算能力和精度進(jìn)行權(quán)衡。雖然模仿大腦結(jié)構(gòu)完全可能是不必要的（甚至自然界需要用9個(gè)月的時(shí)間來(lái)建造人類(lèi)的大腦以及需要用約18年的時(shí)間來(lái)充分打造它，以使之可用），嘗試速度較慢、功率較低、密集互連以及與存儲(chǔ)器更緊密集成的計(jì)算架構(gòu)是一種方法，已顯現(xiàn)美好的前景。

隨著更高能效需求的提出，以及更強(qiáng)大計(jì)算能力的增長(zhǎng)，新的方法（如腦啟發(fā)計(jì)算）有可能改變系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造方式。一個(gè)集成了存儲(chǔ)和邏輯的裝置，或者能夠以較低的功率實(shí)現(xiàn)更高級(jí)功能（可能犧牲精度）的裝置，可能是一個(gè)卓有成效的選擇。需要對(duì)設(shè)備技術(shù)和電路開(kāi)展研究，以達(dá)成良好的權(quán)衡，從而獲得最佳的系統(tǒng)解決方案。最后，我們不應(yīng)試圖取代現(xiàn)有系統(tǒng)的精度和計(jì)算性能，而是應(yīng)利用新的能力來(lái)為這些系統(tǒng)提供新的動(dòng)力，以便在一個(gè)電量日益有限、充斥著數(shù)據(jù)的移動(dòng)世界中，找到新的見(jiàn)解和解決方案。

在許多情況下，價(jià)值并不在于整個(gè)數(shù)據(jù)集的、高精度的、對(duì)還是錯(cuò)這樣的答案，而是在尋找有趣的模式和連接，這種模式和連接將帶來(lái)新的解決方案和見(jiàn)解。

智能基礎(chǔ)設(shè)施的組成要素

最終的智能基礎(chǔ)設(shè)施將由普遍接入的和智能的傳感器組成，它們彼此相連、連接至本地網(wǎng)絡(luò)以及連接至基于云的系統(tǒng)。這種復(fù)雜的、分層互連的系統(tǒng)體系（SoS）應(yīng)具備分析能力，從而提供洞察力和可操作的建議或控制。雖然在某些方面正在取得進(jìn)展，但仍存在必須應(yīng)對(duì)的巨大挑戰(zhàn)。許多現(xiàn)有的技術(shù)不能充分得到擴(kuò)展，例如，為分析和存儲(chǔ)而向云傳送每一片段數(shù)據(jù)既不可行也不實(shí)用。

1.洞察計(jì)算系統(tǒng)

新的計(jì)算時(shí)代正在到來(lái)，正從可編程系統(tǒng)時(shí)代邁入“洞察計(jì)算”系統(tǒng)時(shí)代。洞察計(jì)算屬性包括情境和學(xué)習(xí)、視覺(jué)分析和交互、軟件定義的環(huán)境、以數(shù)據(jù)為中心的系統(tǒng)、納米尺度和原子尺度的組件。在這類(lèi)系統(tǒng)中，傳感器至關(guān)重要，負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)以生成見(jiàn)解。對(duì)某些實(shí)時(shí)應(yīng)用，感知數(shù)據(jù)的價(jià)值可能是短暫的，也許只有幾毫秒，但數(shù)據(jù)必須在該時(shí)間框架內(nèi)加以應(yīng)用。

行業(yè)在對(duì)話、推理、圖像識(shí)別先進(jìn)技術(shù)研究方面不斷取得進(jìn)展，在知識(shí)表示和機(jī)器學(xué)習(xí)方面實(shí)現(xiàn)突破。通過(guò)全面深入的研究，這些技術(shù)進(jìn)步將在未來(lái)十年內(nèi)帶來(lái)神經(jīng)合成計(jì)算、量子計(jì)算和腦啟發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面的進(jìn)一步突破。

2.網(wǎng)絡(luò)－物理系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)－物理系統(tǒng)將成為即將到來(lái)的信息技術(shù)革命的一個(gè)重要組成部分。根據(jù)美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）的定義，“網(wǎng)絡(luò)－物理系統(tǒng)（CPS）指的是工程化的系統(tǒng)，構(gòu)建于并依賴于計(jì)算算法和物理組件的無(wú)縫集成……CPS技術(shù)將改變?nèi)藗兣c工程化系統(tǒng)的交流方式”。一個(gè)CPS包含協(xié)作計(jì)算元素（用于控制物理實(shí)體）的網(wǎng)絡(luò)。它們完全不同于計(jì)算系統(tǒng)和物理系統(tǒng)，需要新的工程模型（包括時(shí)間動(dòng)力學(xué)和算法計(jì)算）；的確，面對(duì)高動(dòng)態(tài)的、常常隨機(jī)行動(dòng)的物理系統(tǒng)，一個(gè)CPS必須具有強(qiáng)勁的控制力。此外，它們必須滿足安全性方面的約束條件。

3.芯片級(jí)安全

對(duì)信息系統(tǒng)的依賴將繼續(xù)擴(kuò)大，安全成為一個(gè)日益嚴(yán)峻的問(wèn)題。與此同時(shí)，一系列趨勢(shì)增加了系統(tǒng)在面對(duì)攻擊時(shí)的脆弱性，不論是受經(jīng)濟(jì)方面動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)，還是受政治方面動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。集成電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造涉及許多企業(yè)的全球供應(yīng)鏈以及成百上千的工程師，在整個(gè)路徑的許多點(diǎn)上為惡意篡改提供了機(jī)會(huì)。高端處理器的復(fù)雜性繼續(xù)增長(zhǎng)，設(shè)計(jì)人員正在使用越來(lái)越多的第三方設(shè)計(jì)或IP，對(duì)其安全性可能并未做審查，并且不如其所聲稱的那樣，假冒部分正在進(jìn)入供應(yīng)鏈?，F(xiàn)有產(chǎn)品的逆向工程利用了半導(dǎo)體制造商的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，結(jié)果是帶來(lái)了假冒產(chǎn)品，但這些假冒產(chǎn)品可能并不能按預(yù)期執(zhí)行功能?；蛟S最大的風(fēng)險(xiǎn)來(lái)自設(shè)計(jì)，并因此造成對(duì)數(shù)據(jù)的非預(yù)期訪問(wèn)。目前的驗(yàn)證過(guò)程的主要目標(biāo)只是確保設(shè)計(jì)按預(yù)期執(zhí)行功能。

隨著互連設(shè)備數(shù)量的增加，安全問(wèn)題預(yù)計(jì)將成為未來(lái)的一個(gè)更大挑戰(zhàn)。傳感器智能芯片將嵌入和集成到所有事物中，從基礎(chǔ)設(shè)施到人體，以保證數(shù)據(jù)和信息的安全，保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)和信息可信。事實(shí)上，物聯(lián)網(wǎng)可以被看作是“人類(lèi)構(gòu)建的最大的和最脆弱的網(wǎng)絡(luò)攻擊面”。除了對(duì)物聯(lián)網(wǎng)提出的低成本、簡(jiǎn)單和低功率等標(biāo)準(zhǔn)需求，還必須解決多種安全需求，比如防篡改、安全的通信和存儲(chǔ)等。

（翻譯：盛開(kāi)）