“未來(lái)早已到來(lái)，發(fā)展只是倍提編程分布不均?！薄猈illiam Gibson
如何讓算力在低功耗的芯片情況下提升1000倍？乍一聽(tīng)似乎有些荒唐，但實(shí)際上利用量子疊加和量子糾纏概念的計(jì)算將樣量子計(jì)算早已步入所有人的視線之中，看似遙遠(yuǎn)而又科幻的發(fā)展目標(biāo)其實(shí)離現(xiàn)實(shí)越來(lái)越近。
英特爾作為一家圍繞數(shù)據(jù)為中心的倍提編程企業(yè)，目前正在逐步強(qiáng)化異構(gòu)計(jì)算方面對(duì)算力和功耗的芯片優(yōu)化。實(shí)際上，計(jì)算將樣英特爾的目標(biāo)是讓每個(gè)人都能獲得百億億級(jí)次計(jì)算，英特爾研究院正在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
英特爾這家公司對(duì)“5”這個(gè)數(shù)字似乎情有獨(dú)鐘，不僅從5年前就開(kāi)始布局xPU+oneAPI的軟硬件生態(tài)超異構(gòu)計(jì)算，還在近期展示了5年后的CPU路線圖。但事實(shí)上，英特爾還規(guī)劃了5年、十幾年甚至更久才能達(dá)成的超前沿技術(shù)項(xiàng)目，充分釋放數(shù)據(jù)的價(jià)值。
在近期的英特爾研究院開(kāi)放日上，英特爾“秀”出其超前沿的技術(shù)，目標(biāo)是追求1000倍提升。英特爾實(shí)現(xiàn)1000倍提升主要是聚焦在集成光電、神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算、量子計(jì)算、保密計(jì)算和機(jī)器編程五大領(lǐng)域。
需要注意的是，雖然英特爾在明碼數(shù)字上標(biāo)注的是追求1000倍提升，但實(shí)際上神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算早已超過(guò)千倍提升，機(jī)器編程的提升更是從0到無(wú)窮大。
本次展示新技術(shù)既是一種布局，也是一種互補(bǔ)，將與現(xiàn)行的異構(gòu)計(jì)算相輔相成，最終實(shí)現(xiàn)新技術(shù)架構(gòu)和傳統(tǒng)架構(gòu)依據(jù)不同應(yīng)用實(shí)施。
尺寸小1000倍：集成光電
英特爾首先展示的1000倍提升的技術(shù)是集成光電，主要目的是將光科學(xué)與大規(guī)模芯片生產(chǎn)的成本效益相結(jié)合，這也是業(yè)界首次被提出來(lái)的概念。利用光互連I/O直接集成到服務(wù)器和封裝中，可以對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行革新，實(shí)現(xiàn)1000倍提升，同時(shí)降低成本。
根據(jù)英特爾的介紹，雖然英特爾研究院經(jīng)過(guò)幾代的改進(jìn)，從單鏈路多I/O協(xié)議架構(gòu)演進(jìn)為T(mén)hunderbolt和USB Type-C電氣I/O，性能性能有了顯著提升，但電氣性能擴(kuò)展速度較慢仍然較慢，因此英特爾探索是否通過(guò)光互連解決這一挑戰(zhàn)。
英特爾認(rèn)為現(xiàn)在是從電氣I/O遷移到光互連I/O的重要拐點(diǎn)，究其原因是電氣性能正在快速逼近物理極限，另外電氣性能擴(kuò)展的速度跟不上帶寬需求的三年翻一番的需求，這就會(huì)產(chǎn)生I/O功耗墻，I/O功耗會(huì)逐漸高于所有現(xiàn)有插接電源導(dǎo)致無(wú)法計(jì)算。
光互連技術(shù)主要涉及五個(gè)技術(shù)要素，包括光產(chǎn)生、光放大、光檢測(cè)、光調(diào)制、CMOS 接口電路和封裝集成，而英特爾近期在幾大技術(shù)構(gòu)建模塊上實(shí)現(xiàn)重大創(chuàng)新，并展示了集成光子學(xué)原型。
1、光調(diào)制：傳統(tǒng)硅調(diào)制器體積巨大，占據(jù)空間過(guò)多，因此IC封裝成本很高。英特爾開(kāi)發(fā)了微型微射線調(diào)制器，其體積縮小1000倍，因此在服務(wù)器封裝上可以放置幾百個(gè)這種器件。
2、光探測(cè)：幾十年來(lái)，業(yè)界一直認(rèn)為硅幾乎不具備光探測(cè)能力，但英特爾證明事實(shí)并非如此。英特爾開(kāi)發(fā)了全硅光電探測(cè)器，這項(xiàng)技術(shù)可以降低成本。
3、光放大：如若想要降低總功耗，集成半導(dǎo)體光學(xué)放大器是不可或缺的技術(shù)，在此方面英特爾推出了集成半導(dǎo)體光學(xué)放大器。
4、協(xié)同集成：集成非常重要，不僅可以降低成本還可以優(yōu)化功耗，也是集成光電最核心的工藝。英特爾主要利用3D堆疊CMOS電路與光子直連，這主要憑借的是英特爾強(qiáng)大的封裝集成技術(shù)。
根據(jù)英特爾的介紹，目前還沒(méi)有其他公司展示過(guò)將集成激光器、半導(dǎo)體光學(xué)放大器、全硅光電探測(cè)器和微型環(huán)調(diào)制器集成在一個(gè)與CMOS硅緊密集成的單個(gè)技術(shù)平臺(tái)上的解決方案。
實(shí)際上，這得益于英特爾在硅光子上的長(zhǎng)久研發(fā)，早在2016年，英特爾就推出了一款全新的硅光子產(chǎn)品“100G PSM4”能夠在獨(dú)立的硅芯片上實(shí)現(xiàn)近乎光速的數(shù)據(jù)傳輸，目前英特爾已經(jīng)為客戶提供超過(guò)400萬(wàn)個(gè)100G的硅光子產(chǎn)品。
筆者認(rèn)為，行業(yè)已經(jīng)意識(shí)到“以光代電”的重要性，行業(yè)對(duì)于光的高帶寬、抗干擾特性有了越來(lái)越深的理解。英特爾英特爾展示的這一整套方案，最為重要的便是集成，也是最大的突破。
英特爾中國(guó)研究院院長(zhǎng)宋繼強(qiáng)表示，集成光電主要突破和進(jìn)展就是把很多原來(lái)分離的尺寸比較大的模塊，用新的技術(shù)集成到一起去了。值得一提的是，這種技術(shù)目前已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用了，已有客戶板內(nèi)已開(kāi)始利用這種設(shè)計(jì)。
速度功耗提升1000倍：新型計(jì)算
英特爾在高效計(jì)算方面追求1000倍提升主要依托三種前沿計(jì)算技術(shù)，分別是神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算、量子計(jì)算和保密計(jì)算，這三種方式分別擁有不同的專長(zhǎng)：
1、神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算：計(jì)算和內(nèi)存混合的全新架構(gòu)
神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算靈感來(lái)源于大腦，英特爾用無(wú)人機(jī)和玄鳳鸚鵡進(jìn)行舉例說(shuō)明：無(wú)人機(jī)板載處理器要消耗18W的電力，利用最先進(jìn)的AI技術(shù)，無(wú)人機(jī)只能勉強(qiáng)以步行速度通過(guò)預(yù)先編程在幾扇門(mén)間自主飛行。反觀玄鳳鸚鵡，大腦僅僅2克重，能耗相當(dāng)于50mW，體重比無(wú)人機(jī)輕20倍，能耗低350倍，但卻可以順利完成飛行、覓食甚至學(xué)習(xí)人類語(yǔ)言的能力。
英特爾方面則在2015年開(kāi)始以現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)理解作為靈感開(kāi)發(fā)了一種新型架構(gòu)，這種架構(gòu)可以利用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算+并行計(jì)算+神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算的方式進(jìn)行不同計(jì)算的分工。
神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算相比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)架構(gòu)來(lái)說(shuō)，完全模糊了內(nèi)存和處理之間的界限，處理就發(fā)生在信息達(dá)到之時(shí)，如同大腦中的神經(jīng)元一樣。換言之，就是把計(jì)算和內(nèi)存混合在一起的一種全新架構(gòu)模式。
2017年，英特爾發(fā)布了首款神經(jīng)擬態(tài)芯片“Loihi”，這款芯片沒(méi)有片外內(nèi)存接口，通過(guò)二進(jìn)制脈沖信息和低精度信號(hào)直接在芯片上計(jì)算，另外這款芯片還具有片上學(xué)習(xí)功能，遠(yuǎn)超目前所有芯片。2020年初發(fā)布，英特爾發(fā)布Pohoiki Springs 系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用768個(gè)Loihi芯片，并包含1億個(gè)神經(jīng)元。
之后，英特爾成立英特爾神經(jīng)擬態(tài)研究社區(qū)（INRC），目前已吸納超過(guò)100個(gè)團(tuán)體，擁有十幾家500強(qiáng)企業(yè)成員，如埃森哲、空中客車、通用電氣等。
根據(jù)本次會(huì)議上報(bào)告顯示，INRC 已經(jīng)發(fā)表了40 多篇經(jīng)過(guò)同行評(píng)審的論文，其中許多論文中都記錄了量化結(jié)果，證明這項(xiàng)技術(shù)能夠帶來(lái)有效的性能提升。
部分機(jī)器人工作負(fù)載顯示，Loihi的功耗比傳統(tǒng)解決方案低40-100倍；大規(guī)模PohoikiSprings系統(tǒng)上相比CPU實(shí)施方法，功耗降低45倍，運(yùn)行速度快100多倍；Loihi還可以解決較難的優(yōu)化問(wèn)題，如約束滿足和圖形搜索，運(yùn)行速度比CPU快100倍，但功耗比CPU低1000多倍。
值得一提的是，雖然英特爾研究院開(kāi)放日的主題是圍繞1000倍提升展開(kāi)，但實(shí)際上對(duì)于神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算研究1000倍已經(jīng)一個(gè)很低的標(biāo)準(zhǔn)了，某些情況下英特爾的能效和計(jì)算速度是超過(guò)千倍的。
宋繼強(qiáng)強(qiáng)調(diào)，神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算的應(yīng)用最適合的是在邊緣，因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)可以以很高的能效比去完成以前高功耗的GPU模型算法才能做的事。
另外，英特爾宣布聯(lián)想、羅技、梅賽德斯-奔馳和機(jī)器視覺(jué)傳感器公司Prophesee加入英特爾神經(jīng)擬態(tài)研究社區(qū)，共同探索神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算在商業(yè)用例上的價(jià)值。同時(shí)將在2021年第一季度，發(fā)布下一代“Lava”軟件開(kāi)發(fā)框架的開(kāi)源版本，服務(wù)更多軟件開(kāi)發(fā)人員。
2、量子計(jì)算：自旋量子技術(shù)、低溫控制技術(shù)、全棧創(chuàng)新助力構(gòu)建商用量子計(jì)算機(jī)
量子計(jì)算作為全新的計(jì)算模式已經(jīng)逐漸成為許多企業(yè)和國(guó)家的發(fā)展重點(diǎn)，這一詞語(yǔ)已經(jīng)時(shí)常刷屏，但具體該怎么理解呢？
英特爾用硬幣對(duì)這個(gè)概念進(jìn)行了解釋：傳統(tǒng)的數(shù)字計(jì)算需要把數(shù)據(jù)編碼為二進(jìn)制數(shù)字，只有0或1兩種狀態(tài)，就像硬幣的正面和反面。而量子計(jì)算使用量子位，可以同時(shí)處于多個(gè)狀態(tài)，就像一枚旋轉(zhuǎn)中的硬幣，可以同時(shí)是正面和反面。
2個(gè)糾纏的量子位就可以表示同時(shí)混合的4種狀態(tài)，而n個(gè)量子位就可以代表2的n次方種狀態(tài)——50個(gè)糾纏的量子位所獲得的狀態(tài)數(shù)量就將超過(guò)任何超級(jí)計(jì)算機(jī)。如果有300個(gè)糾纏的量子位，那能夠同時(shí)表示的狀態(tài)就比宇宙中原子的數(shù)量還要多。
英特爾此前一直強(qiáng)調(diào)的都是量子的實(shí)用性上，這是因?yàn)榱孔游环浅４嗳?，目前僅僅有幾百或數(shù)千量子位是沒(méi)有辦法造出一臺(tái)商用級(jí)量子計(jì)算機(jī)。英特爾的量子計(jì)算擁有自旋量子技術(shù)、低溫控制技術(shù)、全棧創(chuàng)新的特點(diǎn)，為構(gòu)建商用量子計(jì)算機(jī)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
另外，英特爾推出了第二代低溫控制芯片Horse Ridge II，這款芯片是相比2019年推出的第一代產(chǎn)品擁有更高的集成度，支持操縱和讀取量子位態(tài)的能力，支持多個(gè)量子位糾纏所需的多個(gè)柵極電位的控制能力。
3、保密計(jì)算：聯(lián)邦學(xué)習(xí)、完全同態(tài)加密讓安全更進(jìn)一步
在保密計(jì)算上英特爾主要依靠聯(lián)邦學(xué)習(xí)和完全同態(tài)加密實(shí)現(xiàn)1000倍提升。既然算力被神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算和量子計(jì)算提升數(shù)千倍，背后隱含的是龐大的安全問(wèn)題。英特爾認(rèn)為，保密計(jì)算需要提供數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)保密性、執(zhí)行完整性和認(rèn)證功能，防止機(jī)密泄露、防止計(jì)算篡改、驗(yàn)證軟硬件真實(shí)性。
所謂聯(lián)邦學(xué)習(xí)，主要是保護(hù)分屬不同所有者的多個(gè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)。英特爾表示，在零售、制造、醫(yī)療、金融服務(wù)等許多行業(yè)，最大的數(shù)據(jù)集往往都被限制在多方手里的數(shù)據(jù)孤島中。這阻礙了使用機(jī)器學(xué)習(xí)工具從數(shù)據(jù)中獲得洞察。通過(guò)聯(lián)邦學(xué)習(xí)，英特爾將計(jì)算進(jìn)行了拆分，這樣就可以用各方本地的數(shù)據(jù)訓(xùn)練本地的算法，然后將獲取的信息發(fā)送至中央聚合站點(diǎn)，數(shù)據(jù)不共享，價(jià)值仍釋放。
完全同態(tài)加密則是一種全新的加密系統(tǒng)，它允許應(yīng)用在不暴露數(shù)據(jù)的情況下，直接對(duì)加密數(shù)據(jù)執(zhí)行計(jì)算操作。該技術(shù)已逐漸成為委托計(jì)算中用于保護(hù)數(shù)據(jù)隱私的主要方法。
根據(jù)宋繼強(qiáng)的介紹，具體的原理就是，原本明文的算法模型用同臺(tái)加密的方法處理后，變成了一個(gè)1000倍大的數(shù)據(jù)流，將數(shù)據(jù)流訓(xùn)練后再返還為訓(xùn)練好的模型。很多情況下，這一數(shù)據(jù)流最好擴(kuò)大到萬(wàn)倍以上才擁有實(shí)用性。
但與此同時(shí)，內(nèi)存存儲(chǔ)、計(jì)算量、網(wǎng)絡(luò)通訊都被放大了很多倍，這會(huì)導(dǎo)致開(kāi)銷增加，因此這一技術(shù)尚未廣泛應(yīng)用，未來(lái)新一代的硬件支持便可實(shí)用化。另外，英特爾希望普及這項(xiàng)技術(shù)，目前正在研究新的軟硬件方法，并與生態(tài)系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)開(kāi)展合作。
從0到無(wú)窮大倍的提升：機(jī)器編程
除了在硬件上的1000倍提升，英特爾還著重提出在機(jī)器編程效率上的提升。誠(chéng)然，強(qiáng)悍的硬件必然能夠獲得出色的表現(xiàn)，但編碼效率提升意味著更快的上市速度和更少的成本。而這種提升就不僅僅是用1000這種數(shù)字進(jìn)行量化了，實(shí)際對(duì)于未來(lái)業(yè)界的幫助是無(wú)窮大的。
英特爾為此提出了機(jī)器編程的概念，AI的誕生使得各行各業(yè)都變得越來(lái)越自動(dòng)化，而未來(lái)機(jī)器本身也將會(huì)為自己構(gòu)筑程序。機(jī)器編程與機(jī)器學(xué)習(xí)的不同之處就是計(jì)算機(jī)可以自動(dòng)編寫(xiě)軟件的軟件。
“機(jī)器編程”這一詞在英特爾研究院和麻省理工學(xué)院聯(lián)合發(fā)布的《機(jī)器編程的三大支柱》論文中首次提出，論文中認(rèn)為機(jī)器編程的三大支柱是意圖（Intention）、創(chuàng)造（Invention）和適應(yīng)（Adaptation），開(kāi)發(fā)機(jī)器編程的主要目的在于通過(guò)自動(dòng)化工具提升開(kāi)發(fā)效率。
根據(jù)英特爾的介紹，異構(gòu)計(jì)算的到來(lái)，使得編碼的難度越來(lái)越高，未來(lái)神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算、量子計(jì)算、保密計(jì)算成為主流也會(huì)使得編碼越來(lái)越復(fù)雜。數(shù)據(jù)顯示，全球78億任重，只有2700萬(wàn)人會(huì)編寫(xiě)程序，占比不到1%。很多不懂得編程的農(nóng)業(yè)、生物、建筑、醫(yī)療、金融等專家其實(shí)非常清楚地知道想要軟件做什么，但市面又缺乏類似的軟件。利用機(jī)器編程便可以讓每個(gè)人都能創(chuàng)建軟件，英特爾的愿望是將1%變?yōu)?00%。
另一方面，數(shù)據(jù)顯示程序員在編寫(xiě)程序時(shí)，50%的時(shí)間都用在Debug上。利用機(jī)器編程可以可以自動(dòng)識(shí)別、分析、糾正bug，提高程序員2倍的開(kāi)發(fā)效率。
文行至此，可能很多人會(huì)疑問(wèn)編程人員是否會(huì)被替代，程序員是否會(huì)失業(yè)？根據(jù)英特爾的介紹，實(shí)際上機(jī)器編程不僅不會(huì)取代專業(yè)程序員，還會(huì)創(chuàng)造數(shù)千萬(wàn)到數(shù)億個(gè)就業(yè)機(jī)會(huì)。這是因?yàn)椋瑱C(jī)器編程需要大量的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，而這些專業(yè)數(shù)據(jù)仍然需要由專業(yè)程序員編寫(xiě)，因此高技能程序員需求將會(huì)持續(xù)增加，專業(yè)程序員寫(xiě)的程序越多，機(jī)器編程就更先進(jìn)；對(duì)于不會(huì)編程的人員來(lái)說(shuō)，只需向機(jī)器表達(dá)自己的想法就能創(chuàng)造相應(yīng)的軟件，可以降低行業(yè)準(zhǔn)入門(mén)檻。
總結(jié)
“未來(lái)10年是架構(gòu)創(chuàng)新的黃金10年”，宋繼強(qiáng)表示，提出追求1000倍提升這一主題，是英特爾研究院設(shè)立項(xiàng)目目標(biāo)提出的一個(gè)要求，最終將要追求千倍級(jí)的改變。
英特爾之所以強(qiáng)大的原因便是不斷的研發(fā)和投入。此前，筆者曾經(jīng)介紹英特爾正在布局超異構(gòu)計(jì)算，并在硬件上擁有CPU、獨(dú)立GPU、FPGA、eASIC、ASIC、VPU、內(nèi)存和存儲(chǔ)等，在軟件上擁有統(tǒng)一開(kāi)發(fā)平臺(tái)oneAPI。
英特爾本次“秀”出的全新技術(shù)，都是需要5年甚至十幾年才能實(shí)現(xiàn)的超前沿技術(shù)。英特爾此前曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“作為一家高科技公司，永遠(yuǎn)要站在最前端，看到別人看不到的東西，不斷創(chuàng)新技術(shù)去抓住每一次增長(zhǎng)的機(jī)會(huì)，同時(shí)也必須要有駕馭危機(jī)的能力?！蓖ㄟ^(guò)布局全新產(chǎn)業(yè)，相信產(chǎn)業(yè)將會(huì)迎來(lái)新的變革。
