超级计算机的成长大不如以前的快速?摩尔定律走到尽头

Posted 2021-01-24

2015 年国际「TOP500 计划」在德国举行的国际超级计算机大会上，发表全球最新超级计算机 500 强排名。虽然排名前端的超级计算机，皆已经可以达到每秒运算千兆次的速度，但事实上超级计算机计算能力成长的幅度并不像过去那么快速，成长放缓的原因可能涉及许多技术难关及成本考虑。

超级计算机还在成长，但成长的很慢
众所皆知，超级计算机的开发根基于 INTEL 创始人之一戈登·摩尔所提出的摩尔定律，他预测单一集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔2年便会增加一倍，造成性能呈指数增长。在大多数情况下，市场大多遵循着这套曲线。在超级计算机方面，过去前 500 强的计算机性能几乎每年翻倍成长。然而从前几年开始，成长的幅度渐渐下降。从 2008 年到 2013 年左右，指令周期增长的幅度约在 22%-66% 左右，但今年上榜的计算机中，只比去年同期增长了约 17% 左右。成长的停滞迹像不只出现在榜单的顶部，榜单底部的计算机也有渐缓的趋势。就过去的经验来看，榜单底部的计算机处理速度的增幅应该要持续高于排名靠前的计算机。但从下图中，我们可以看出在过去的几年中增速的变化趋势。排名第 1 和第 500 的计算机间运算能力差距正在逐渐扩大。也就是说，虽然还是有新的超级计算机诞生，但出现的频率已经没有过去那么高，且榜单底端的计算机也没有维持足够的成长速度。

甚么趋势导致成长放缓？摩尔定律走到尽头
IBM 数据中心高级经理 John Gunnels 提到，如果你没办法像过去一样保持芯片缩小的幅度与速度，那么当然没办法像过去一样提高效能，因为晶元的几何尺寸总不可能无限制地缩小下去。半导体产业似乎已经走到极限，今日的晶体管已经缩小到原子级别，芯片设计师们不得不在已十分优越的多核芯片上不断推翻、重新设计，每一次的升级，都让难度变得更大。于此同时，IBM 研究人员正试图利用硅锗晶体管取代纯硅，并利用极紫外光（EUV）雕刻技术，打造仅 7 奈米的芯片，希望在未来四年维持摩尔定律。除了纯科学技术上的问题，更大的问题是经济上的阻力，高昂的电力消费与天价的开发成本才是减缓相关产业成长的原因。当芯片对尺寸的要求缩小到一定程度，晶圆厂的成本甚至可能会高过核电厂，除了大型科技公司以外，恐怕没有多少公司能负担。例如 Intel 过去的 14 nm 芯片工厂，便花费了五十亿美元，上述 IBM 的新型芯片，在量产前投资额就高达 30 亿美元。Gunnels 认为，他相信有人能做出性能更高的超级计算机，但不见得有相对应的权力与金钱能够支撑这项事业，例如美国政府近年来也缩小了对超级计算机的资金投资规模。当然，除了一味追求更小的半导体体积外，市场上还有其他技术可以增加运算效率。如 3D 逻辑闸，多层芯片，低电压低电阻晶圆等等，但这些技术也有自身的限制，没办法立即带来像如同缩小体积般显著的指数型成长，顶多让半导体产业维系接下来 10 年的光景。换句话说，科技巨头们只能赶在这段时间去寻找能硅半导体的替代品，虽然有不少可能的方向，例如奈米碳管、超导体、量子计算机等等，但这些技术也都尚未完全成熟，是否真的能在近年扭转颓势，还有待观察。

未来发展－你的旧计算机不再过气的那么快？
纵使成长放缓，美国科学界仍希望能在 2020 年达到每秒百万兆次的指令周期，但田纳西大学的计算机科学教授 Jack Dongarra（超级计算机前 500 名榜单中的常客）则认为保守估计也得等到 2023 年才能实现，日本与中国方面则较积极地想抢在 2020 达成这项目标。在未来，首要受到影响的就是需要动用超级计算机的产业，例如国家级的气象预测与气候模型架构、新世代的云端产业网络架构等等。对一般民众而言，过去我们已经习惯芯片的高速淘汰与成长，未来或许也会开始查觉到这波放缓的趋势，简单来说，你会发现你的旧计算机似乎不会过气的那么快。