發(fā)展“互聯(lián)網(wǎng)+”？”硬件“這個地基必須打好

導(dǎo)讀:“互聯(lián)網(wǎng)+”已經(jīng)成為當今媒體熱炒的話題，似乎所有的傳統(tǒng)行業(yè)都要搭上這班車，用所謂的“互聯(lián)網(wǎng)思維”把實體經(jīng)濟搬到網(wǎng)上去，把銷售目標對準不斷增長的網(wǎng)民，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟和實體經(jīng)濟的結(jié)合。

隨著智能手機的不斷更新，“互聯(lián)網(wǎng)+”又可以不斷玩出新的花樣，進一步推動網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟的增長。移動通信從2G發(fā)展到3G，又從3G進化到LTE(4G)，大大提高了傳輸速度。現(xiàn)在人們又開始討論5G了。5G移動通信的目標，是要把傳輸速率提高到10G，這意味著下載一部高清電影可能不需要1秒的時間;還要把數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t時間從現(xiàn)在的幾十毫秒下降到不到1個毫秒，這意味著我們今后的通信，真正變成了一種“零等待”的通信。

今后的“互聯(lián)網(wǎng)+”就將在這樣的高速、極低延遲的條件下，傳輸極大的數(shù)據(jù)量。這種“大數(shù)據(jù)”的數(shù)據(jù)量，還以指數(shù)曲線在不斷增長。

這一切聽上去很美好，但是要實現(xiàn)這樣的場景，還有很多問題需要解決。其中最關(guān)鍵的問題就是硬件。大數(shù)據(jù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”這些軟件概念的迅猛發(fā)展，意味著大量的數(shù)據(jù)中心、路由器、大量的智能手機等硬件要制造出來。這些硬件的關(guān)鍵就是半導(dǎo)體芯片。不管是CPU處理器、還是存儲器(內(nèi)存、固態(tài)硬盤SSD)芯片，中國的技術(shù)或產(chǎn)品，還遠遠落后于先進國家。

據(jù)報道，全球半導(dǎo)體市場規(guī)模達3200億美元，全球54%的芯片都出口到中國，但國產(chǎn)芯片的市場份額只占10%。半導(dǎo)體芯片已經(jīng)超過石油，成為中國第一大進口商品。中國雖然在彩電、電腦、手機的生產(chǎn)數(shù)量上是世界第一，但還得依靠進口的芯片。除此之外，嵌在其中的高端芯片專利費用也讓國內(nèi)的一些廠家淪為國際廠商的打工者。

另一方面，很多人每天在起勁談?wù)?ldquo;互聯(lián)網(wǎng)+”的時候，卻不知這個“互聯(lián)網(wǎng)+”的存在條件是什么。大數(shù)據(jù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”再這樣發(fā)展下去，它的“地基”是不是會垮掉?你是不是感到現(xiàn)在網(wǎng)速還遠遠不夠?你是不是覺得你的手機多打些電話就會發(fā)燙?你是不是覺得你的筆記本電腦的風(fēng)扇聲音太吵?

CPU的問題

硬件的主要部件——微處理器，即CPU，它的處理速度從3G開始就已經(jīng)落后于國際標準組織所定義的處理速度的指標，到4G時代，這樣的差距將拉得更大。按照目前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的設(shè)計和制造水準，哪怕是用目前最先進的水準，要想達到5G的指標需求，幾乎是不可能了。

50 年前，當時的英特爾公司創(chuàng)辦人之一的摩爾，提出半導(dǎo)體芯片里的晶體管數(shù)量將每兩年增加一倍。這意味著CPU的處理速度也可每兩年提高一倍。他的這個預(yù)測居然相當準確，這50年半導(dǎo)體芯片的發(fā)展的的確確是按照這條曲線在往前發(fā)展，所以人們把他的這個預(yù)測叫做“摩爾定律”。

然而，隨著晶體管尺寸越做越小，現(xiàn)在已經(jīng)接近幾個納米，許多問題就接踵而來。第一是制作成本越來越高，要有100億美元的投資才能建設(shè)一個芯片廠;第二是物理尺寸到了納米級后，要解決很多量子效應(yīng)、寄生效應(yīng)、熱效應(yīng)、幾何效應(yīng)等等一系列新的問題。如果說這些問題目前還可以勉強應(yīng)付的話，再過幾年晶體管物理尺寸再往下縮小的話就完全無法做了。

要提高CPU的處理速度，要么增加主頻頻率，要么采用多個CPU核，組成一個多核處理器。但是這兩個辦法都遇到了發(fā)熱及如何散熱的問題。世界最大的CPU生產(chǎn)廠商英特爾公司所開發(fā)的CPU的主頻，至今為止還沒有超過3GHz。就是說主頻提得太高，芯片就會急劇升溫直至燒毀。而AMD去年做了一次測試，把主頻提高到8GHz，號稱打破了世界紀錄，但是在這個CPU運作時，必須在上面不停地澆上液氦來降溫?？梢姽獍阎黝l提高，并不是一個好辦法。

于是工程師們走另外一條路，就是采用多個CPU核，提高了處理速度，同時可以緩解發(fā)熱的問題。但是隨著對處理速度的需求不斷提高，就需要增加CPU核的數(shù)量。英特爾公司已經(jīng)在實驗室準備好了64核的處理器，其他一些研究機構(gòu)或者新創(chuàng)公司則已經(jīng)推出128核或者更多核的處理器。

這種多核的解決方案，同樣面臨著發(fā)熱的問題。如果在一塊極其微小的硅芯片里，集成了128個核，而這些CPU核又同時都在工作，那么這些核發(fā)出的熱量，因為密度太高，足以把這塊芯片燒毀。

有人提出建議，不要把芯片里的所有核同時開啟，在同一個時間段只允許少數(shù)幾個核工作，把這叫做“暗硅(Dark Silicon)”。就如同在一間房間里裝了很多高瓦特數(shù)的燈泡，你需要把大部分的燈泡關(guān)掉，只留下少數(shù)幾個開著，保持較暗的照明水平。一旦把房間里的所有燈全部打開，它們發(fā)出的熱量就有可能馬上把這個房間燒毀。

通電發(fā)熱是正常的物理現(xiàn)象，既然無法避免，那就要設(shè)法把這些熱有效地散發(fā)出去?？上У氖?，雖然現(xiàn)在有很多工程師和科學(xué)家想出各種辦法來解決，如加散熱片、風(fēng)扇甚至使用內(nèi)嵌微水管來幫助散熱，但始終沒能有效地解決這類問題，特別是滿足未來更高的要求。

這些問題的出現(xiàn)，與芯片里集成的晶體管的基本原理有關(guān)。晶體管只是相當于一個開關(guān)。幾十年來我們所用的晶體管，都是通過電荷來控制的，電荷積聚多了開始流動，就叫“導(dǎo)通”，即這個開關(guān)處于開啟狀態(tài);沒有電荷流動，那就處于“截止”狀態(tài)，即這個開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)。這里起到關(guān)鍵作用的是電荷的數(shù)量。電荷的流動就產(chǎn)生了熱量。

創(chuàng)新

有沒有辦法不依賴于電荷的數(shù)量來做成一個開關(guān)呢?最近幾年，已經(jīng)有人作了大膽的創(chuàng)新，那就是利用電子自旋。在納米世界里，把電子自己的旋轉(zhuǎn)方向定義為一個開關(guān)的狀態(tài)，如向右轉(zhuǎn)為開啟，向左轉(zhuǎn)為關(guān)閉。另外還有人想到的是利用磁矩，把磁性粒子排成北極，定義為一個開關(guān)的開啟，排成南極，定義為一個開關(guān)的關(guān)閉。這樣的思路，從根本上顛覆了芯片最基本的原理，因為沒有電流流動，可以大大降低功耗，也即大大減少發(fā)熱，極具發(fā)展前景。

很多創(chuàng)新技術(shù)有可能顛覆目前的半導(dǎo)體芯片技術(shù)?，F(xiàn)在正在研究的是采用石墨烯來取代硅材料，可以大大提高工作頻率;也有實驗室使用“棉纖維”來做晶體管;或者采用特殊的塑料，做成“塑料芯片”，把復(fù)雜的電路“打印”到塑料上，這樣可以把一塊電路板變成一片可以卷曲的塑料片，甚至可以做到全透明。

你可以想象，如果把這樣的芯片用到手機里，那么手機將變成怎樣的手機?這就將成為一部極薄的、可以任意卷曲和折疊的、全透明的像紙片那樣薄的手機。這就是“硬件”的未來。

到那時，這樣的半導(dǎo)體芯片還可以在家里自己DIY、打印出來。從網(wǎng)上把電路圖和布線圖下載后，通過特制的打印機，直接就可以把芯片做出來了。這是“定制化”的芯片，即你可以根據(jù)自己不同的需求，打印出不同的芯片。換句話說，你可以自己制作個性化的手機。這是不是很酷?

這樣的塑料芯片，現(xiàn)在已經(jīng)誕生在實驗室里了，相信在不遠的未來，就將投入市場。

從這里再談到中國的半導(dǎo)體芯片發(fā)展。按照傳統(tǒng)的晶體管原理來做芯片，由于種種原因，已經(jīng)大大落后先進國家了，那有沒有可能把握住現(xiàn)在的機遇，在出現(xiàn)的創(chuàng)新技術(shù)方向上，從同一條起跑線上與發(fā)達國家競賽呢?是不是有必要把發(fā)展新型硬件變成國家戰(zhàn)略，而不是各地方小打小鬧呢?是不是需要媒體多關(guān)心一些新型硬件，而不是講來講去都是“互聯(lián)網(wǎng)+”呢?是不是從人才培養(yǎng)的大學(xué)教育開始，就要把這些創(chuàng)新的思路編到電子工程的教材里去，而不是還一直停留在灌輸傳統(tǒng)技術(shù)呢?

在這樣一種創(chuàng)新機遇面前，只有意識到“硬件”這個地基的重要性，才能迎來和保證今后幾年“大數(shù)據(jù)”、“互聯(lián)網(wǎng)+”的繁榮發(fā)展。我們期盼著新的中國“芯”時代的到來和崛起，這一次，應(yīng)該成為掌握核心技術(shù)，世界硬件技術(shù)的引領(lǐng)者。

小編：DQ小子