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发信人: ssos (存在与虚无·戒酒戒网), 信区: Algorithm
标 题: 非 传 统 高 性 能 计 算 技 术 的 未 来
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年11月14日12:55:39 星期三), 站内信件
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---- 再 过 十 年 或 二 十 年， 高 性 能 计 算 机 技 术 将 如 何 发 展 ？ 除
了 传 统 技 术 外， 非 传 统 技 术 无 疑 也 是 一 条 发 展 途 径， 如 超 导
计 算、 量 子 计 算、 生 物 计 算 及 光 计 算 等 也 许 会 走 向 实 用。 下 面
是 李 国 杰 院 士 在 今 年 的 香 山 科 学 讨 论 会 上 对 未 来 非 传 统 高
性 能 计 算 技 术 的 展 望。
---- 目 前， 概 括 地 说， 计 算 机 技 术 主 要 朝 着 两 个 方 向 发 展， 一
是 尽 量 提 高 性 能， 二 是 方 便 使 用， 即 智 能 化、 大 众 化。 美 国DO
E 支 持 的ASCI 计 划 致 力 于 研 制1000 万 亿 次(Petaflops) 超 级 计 算 机，
代 表 了 前 一 种 方 向， 而 美 国NSF 支 持 的PACI 和KDI 计 划 则 反 映 了
后 一 种 趋 势。
---- 发 展 高 性 能 计 算 也 有 两 条 途 径， 一 条 途 径 是 基 于 现 有 的
半 导 体 集 成 电 路 技 术， 即 微 处 理 机 技 术， 通 过 提 高 并 行 处 理
能 力 来 实 现； 另 一 条 途 径 是 突 破 硅 半 导 体 器 件 的 框 框， 发 展
非 传 统 的 新 技 术， 其 中 包 括 超 导 计 算、 量 子 计 算、 生 物 计 算 与
光 计 算 等。 再 过10 ～20 年， 上 述 新 技 术 中 有 些 可 能 会 走 向 实 用
。 在 此， 我 们 集 中 讨 论 这 些 非 传 统 高 性 能 计 算 技 术。
---- 提 高 计 算 性 能 可 以 从 两 个 不 同 的 方 向 入 手， 即 自 底 向 上
或 自 顶 向 下， 前 者 致 力 于 研 制 超 高 性 能 器 件 或 部 件， 如 量 子
器 件、 超 导 芯 片、 光 互 连 和 光 存 储 部 件、 生 物 分 子 部 件 等， 主
要 在 硬 件 方 面 下 功 夫。 后 者 致 力 于 计 算 模 型 和 算 法 设 计 的 研
究， 从 根 本 上 突 破 冯 · 诺 依 曼 计 算 机 与 电 子 技 术 的 局 限， 比
如 量 子 计 算 和DNA 计 算 模 型 都 为 求 解 复 杂 问 题 开 辟 了 崭 新 的
思 路。 我 们 在 开 展 高 性 能 计 算 基 础 研 究 时， 对 这 两 个 方 向 都
应 加 以 考 虑。 目 前， 我 国 在 经 费 有 限 的 条 件 下， 在 计 算 模 型 与
算 法 方 面 也 许 更 有 可 能 获 得 突 破 性 的 创 新 进 展。
---- 美 国 科 学 家 在 研 制Petaflops 计 算 机 之 初， 曾 对 上 述 各 种 新
奇 的 技 术 做 过 仔 细 分 析 和 评 估， 最 后 得 出 的 结 论 是： 在2010 年
以 前， 除 了 利 用 硅 器 件 以 外， 只 有 超 导 计 算 机 有 可 能 造 出100
0 万 亿 次 计 算 机。 因 此， 他 们 在 将 主 要 经 费 投 入 传 统 大 规 模 并
行 机 的 同 时， 另 外 也 拨 了 一 部 分 经 费 支 持 以 超 导 技 术 为 主 的
非 传 统 高 性 能 计 算 机 的 研 制。
---- 其 实， 早 在60 年 代 末 期，IBM 公 司 就 已 经 开 展 了 对 超 导 器 件
的 研 制， 日 本MITI 在80 年 代 也 研 制 过 超 导 器 件。 但 是， 由 于 没
有 突 破 半 导 体 电 路 的 设 计 思 路， 仍 用 电 压 高 低 表 示1 和0， 用 门
闩 电 路 作 为 开 关， 这 种 超 导 器 件 时 钟 频 率 只 能 达 到 几 个GHz，
与 半 导 体 电 路 相 比， 没 有 质 的 飞 跃， 因 此， 超 导 数 字 电 路 的
研 究 一 度 跌 入 低 谷。
---- 1986 年 高 温 超 导 被 发 现， 并 且1985 年 后 俄 罗 斯 学 者Likharev 等
人 提 出 了RSFQ(Rapid Single Flux Quantum) 技 术， 利 用 穿 过 超 导 环
的 磁 通 量 具 有 量 子 特 征 的 原 理 设 计 逻 辑 电 路， 以 磁 通 量 表 示
数 字 信 息， 使 基 于RSFQ 技 术 的 逻 辑 电 路 的 时 钟 频 率 达 到 几 百
个GHz， 而 功 耗 只 有0.3 μW/ 门， 彻 底 改 变 了 超 导 数 字 电 路 的 命 运
。 现 在 几 乎 没 有 人 怀 疑 超 导 器 件 将 在 超 高 速 数 字 器 件 市 场 取
得 成 功。 比 半 导 体 电 路 的 主 频 高 两 个 数 量 级 还 只 是 超 导 电 路
的 优 点 之 一， 另 一 个 重 要 优 点 是 功 耗 低， 即 使 考 虑 液 态 氦4 °
～5 °K 所 需 的 制 冷 功 耗， 基 于RSFQ 技 术 的Petaflops 计 算 机 总 功 耗
也 只 有10KW 左 右， 而 采 用 半 导 体 电 路 的 功 耗 则 高 达30MW。 超 导
集 成 电 路 工 艺 比 半 导 体 集 成 电 路 简 单，1995 年 在 实 验 室 中 已 用
1.5 μm 工 艺 研 制 出370GHz 的RSFQ 铌 超 导 电 路。 但 是 目 前 集 成 度 只
能 做 到 万 个 约 瑟 夫 森 结 水 平。
---- 从 目 前 掌 握 的 光 学 技 术 来 预 测， 光 技 术 不 大 可 能 为Petaflo
ps 量 级 的 高 性 能 计 算 机 提 供 高 速 度、 高 密 度、 低 延 迟 的 逻 辑
电 路， 但 光 技 术 在 存 储、 通 信 及 一 些 专 用 领 域 有 着 电 子 技 术
无 法 比 拟 的 优 点。 光 脉 冲 的 频 率 已 达 到 飞 秒 级； 光 存 储 特 别
是 三 维 光 全 息 存 储 将 成 为 高 性 能 计 算 机 的 主 要 外 存 储 技 术；
光 互 联( 包 括 自 由 空 间 光 互 联) 将 是 不 可 缺 少 的 高 带 宽 互 联 技
术。 光 数 字 计 算 中 发 展 较 快 的 是 基 于 余 数 计 算 理 论 的MSD 技 术
， 其 最 大 的 特 点 是 大 规 模 并 行， 所 以 它 在 图 像 处 理、 神 经 网
络 计 算 方 面 占 有 优 势。 光 计 算 要 走 向 实 用 还 需 解 决 可 靠 性、
容 错、 功 耗、 封 装 密 度、 光 电 连 接 等 许 多 关 键 技 术 问 题。
---- 量 子 计 算 与 生 物 计 算 过 去 几 年 内 的 重 大 进 展 表 现 在 计 算
模 型 和 算 法 设 计 上。1994 年 这 两 个 领 域 同 时 取 得 突 破。AT ＆T 的
Peter Shor 设 计 了 一 种 量 子 计 算 算 法， 求 解 因 数 分 解 问 题 的 复
杂 性 为O(L2)，L 是 被 分 解 数 的 位 数。 这 可 能 是 求 解 具 有 指 数 复
杂 性 这 一 难 题 的 历 史 性 突 破。 就 在 这 一 年， 分 布 在 全 世 界 的1
600 台 工 作 站 用 了8 个 月 时 间( 利 用 机 器 空 闲 时 间) 成 功 地 分 解
了 一 个129 位 的 大 数。 如 果 试 图 仍 用 这1600 台 工 作 站 分 解 一 个10
00 位 的 大 数， 其 计 算 时 间 将 大 大 超 过 宇 宙 的 年 龄。 而 用Shor 的
量 子 算 法， 只 须 计 算 几 百 万 步。 这 是 多 么 了 不 起 的 突 破! 量 子
计 算 能 做 到 这 一 点， 主 要 得 益 于 量 子 迭 加(Superposition) 效 益，
一 个 原 子 的 状 态 可 以 同 时 是1 和0， 采 用L 个 量 子 位(Qubits) 可 以
一 次 同 时 对2L 个 数 进 行 处 理， 一 步 计 算 完 成 了 电 子 计 算 机2L
个 数 计 算。 从 这 个 例 子 可 以 看 出， 问 题 的 描 述 方 法 对 降 低 计
算 的 复 杂 性 起 决 定 作 用， 这 就 是 研 究 计 算 模 型 的 魅 力。 当 然，
要 真 正 实 现 量 子 计 算 机 还 有 遥 远 的 距 离。 尽 管 今 后 几 年 内 各
种 量 子 逻 辑 器 件 将 问 世， 但 量 子 计 算 机 的 难 点 在 于 如 何 连 接
这 些 器 件， 因 为 量 子 计 算 是 一 种 可 逆 计 算， 必 须 在 保 证 其 计
算 过 程 不 受 周 围 环 境 干 扰 的 条 件 下 进 行。 这 种 特 征 对 量 子 密
码 和 传 输 有 特 殊 意 义， 但 大 大 增 加 了 制 造 量 子 计 算 机 的 难 度
。
---- 美 国 南 加 州 大 学 的Adleman 于1994 年11 月 在《 科 学》 杂 志 上 发
表 了 一 篇 具 有 里 程 碑 意 义 的 论 文。 他 设 计 了 一 个DNA 计 算 算 法
， 用 了7 天 时 间 在 试 管 内 做DNA 分 子 合 并 分 离， 成 功 地 找 出 了7
个 城 市 的 一 个 哈 密 顿 圈， 即 每 个 城 市 访 问 一 次 的 回 路， 并 声
称 用 生 物 学 方 法 可 以 在 线 性 时 间 内 求 解 哈 密 顿 圈 问 题。1996 年
普 林 斯 顿 大 学 的Lipton 又 将DNA 计 算 应 用 于 求 解 最 基 本 的NP 问 题
— —SAT 问 题， 显 示 了DNA 计 算 在 求 解 组 合 判 定 问 题 上 的 明 显 优
势。 但 是， 笔 者 认 为，Adleman 的 工 作 虽 然 开 辟 了 生 物 计 算 的 一
个 重 要 方 向， 但 从 计 算 理 论 上 看 还 未 实 现 根 本 性 的 突 破。 因
为 目 前 采 用 的DNA 计 算 模 型 基 本 上 是 采 用 以 空 间 换 时 间 的 思
路， 充 分 利 用 分 子 数 量 多( 一 升DNA 溶 液 包 含1017 个DNA 分 子) 这 一
特 点， 以 极 大 规 模 的 并 行 来 加 速 组 合 计 算。 这 种 蛮 干 的 办 法
仍 然 对 付 不 了 指 数 性 的 组 合 爆 炸， 或 许 将 地 球 上 全 部DNA 分 子
都 用 上， 也 解 决 不 了1 万 个 城 市 的 哈 密 顿 圈 问 题。 目 前，DNA 计
算 只 适 合 于 组 合 判 定 问 题， 连 加 减 乘 除 怎 么 实 现 还 没 有 想 出
办 法。 如 同 电 子 计 算 机 的 蓬 勃 发 展 是 基 于 图 灵 机 的 坚 实 基 础
一 样， 生 物 计 算 机 要 成 为 一 种 通 用 计 算 机， 必 须 先 建 立 与 图
灵 机 类 似 的 计 算 模 型。 除 了DNA 计 算 外， 生 物 计 算 还 有 另 一 个
发 展 方 向， 即 在 传 统 的 半 导 体 芯 片 上 加 入 生 物 分 子 部 件、 将
硅 基 与 碳 基 结 合 起 来 的 混 合 技 术。 以 生 物 分 子 为 基 础 的 生 物
存 储 器 也 是 一 个 重 要 的 发 展 方 向。
---- 电 子 计 算 仍 有 强 大 的 生 命 力， 至 少 在 近 半 个 世 纪 内， 其 它
计 算 技 术 不 大 可 能 完 全 取 代 电 子 计 算 机， 而 只 能 在 某 些 方 面
加 强、 补 充 电 子 技 术。 我 们 不 应 强 调 研 制 纯 而 又 纯 的 超 导、
量 子、 光 学 和 生 物 计 算 机， 而 应 发 挥 各 自 的 长 处， 在 优 势 互 补
、 系 统 集 成 上 多 下 功 夫。 事 实 上， 各 种 混 合 技 术， 如 光 电 技 术
、 超 导 － 电 子 混 合 技 术、 光 学 生 物 混 合 技 术 等 都 取 得 了 较 大
进 展。 制 冷 技 术 虽 然 不 属 于 计 算 机 技 术， 但 对 于 超 导 计 算 机
而 言， 制 冷 的 功 耗 也 是 必 须 重 视 的 关 键 问 题。 美 国Petaflops 计
划 中 设 立 的HTMT 项 目( 混 合 技 术 多 线 程 体 系 结 构) 是 一 个 典 型
的 多 种 技 术 综 合 集 成 项 目， 包 括100GHz 的RSFQ 技 术、200Gbps 的 光 通
信 技 术、 延 迟 为20ns 的 数 据 涡 流 技 术、TB/cm3 的 光 学 全 息 存 储 技
术、PIM(Processor in Memory) 技 术、 高 速 接 口 技 术、 多 级 多 线 程 执
行 模 型 及 处 理 器 内 单 时 钟 周 期 线 程 切 换 技 术 等。 特 别 要 指 出
的 是， 由 于CPU 速 度 的 大 幅 度 提 高(100GHz 主 频) 而 造 成CPU 速 度 与
存 储 器 速 度( 取 决 于 电 子 在 导 线 上70ns/cm 的 传 输 速 度) 之 间 的
巨 大 间 隙， 必 须 通 过 编 译 等 系 统 软 件 技 术 来 解 决 数 据 的 局 部
性 问 题， 以 提 高 系 统 的 实 际 效 率。 在 一 个 相 当 长 时 间 内， 提
高 实 际 速 度 的 一 部 分 担 子 只 能 压 在 用 户 身 上。 达 到 既 高 速 又
很 容 易 使 用( 编 程 时 间 少) 是 我 们 追 求 的 目 标， 但 要 实 现 这 一
目 标 还 有 一 个 过 程， 我 们 必 须 锲 而 不 舍 地 朝 着 实 现 智 能 化 高
性 能 计 算 机 的 方 向 努 力。
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<<社会契约论>>是一本好书,应当多读几遍
风味的肘子味道不错,我还想再吃它
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