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為甚麼超級電腦的成長速度不若過去快速？

105/01/20 2621

喻守謙｜台灣數位文化協會

近日國際「TOP500計畫」在德國舉行的 2015 年國際超級電腦大會上，發表全球最新超級電腦 500 強排名。雖然排名前端的超級電腦，皆已經可以達到每秒運算千兆次的速度，但事實上超級電腦計算能力成長的幅度並不像過去那麼快速，成長放緩的原因可能涉及許多技術難關及成本考量。

超級電腦還在成長，但成長的很慢

眾所皆知，超級電腦的開發根基於INTEL創始人之一戈登·摩爾所提出的摩爾定律，他預測單一積體電路上可容納的電晶體數目，約每隔2年便會增加一倍，造成性能呈指數增長。在大多數情況下，市場大多遵循著這套曲線。

在超級電腦方面，過去前500強的電腦性能幾乎每年翻倍成長。然而從前幾年開始，成長的幅度漸漸下降。從2008年到2013年左右，運算速度增長的幅度約在 22%-66% 左右，但今年上榜的電腦中，只比去年同期增長了約17% 左右。

成長的停滯跡像不只出現在榜單的頂部，榜單底部的電腦也有漸緩的趨勢。就過去的經驗來看，榜單底部的電腦處理速度的增幅應該要持續高於排名靠前的電腦。但從附圖二中，我們可以看出在過去的幾年中增速的變化趨勢。排名第1和第500的電腦間運算能力差距正在逐漸擴大。

也就是說，雖然還是有新的超級電腦誕生，但出現的頻率已經沒有過去那麼高，且榜單底端的電腦也沒有維持足夠的成長速度。

甚麼趨勢導致成長放緩?

摩爾定律走到盡頭

IBM數據中心高級經理 John Gunnels 提到，如果你沒辦法像過去一樣保持芯片縮小的幅度與速度，那麼當然沒辦法像過去一樣提高效能，因為晶元的幾何尺寸總不可能無限制地縮小下去。半導體產業似乎已經走到極限，今日的晶體管已經縮小到原子級別，芯片設計師們不得不在已十分優越的多核芯片上不斷推翻、重新設計，每一次的升級，都讓難度變得更大。於此同時，IBM研究人員正試圖利用矽鍺晶體管取代純矽，並利用極紫外光（EUV）雕刻技術，打造僅7奈米的芯片，希望在未來四年維持摩爾定律。

除了純科學技術上的問題，更大的問題是經濟上的阻力，高昂的電力消費與天價的開發成本才是減緩相關產業成長的原因。當芯片對尺寸的要求縮小到一定程度，晶圓廠的成本甚至可能會高過核電廠，除了大型科技公司以外，恐怕沒有多少公司能負擔。例如Intel過去的14nm晶片工廠，便花費了五十億美元，上述IBM的新型晶片，在量產前投資額就高達30億美元。Gunnels認為，他相信有人能做出性能更高的超級電腦，但不見得有相對應的權力與金錢能夠支撐這項事業，例如美國政府近年來也縮小了對超級電腦的資金投資規模。

當然，除了一味追求更小的半導體體積外，市場上還有其他技術可以增加運算效率。如3D邏輯閘，多層晶片，低電壓低電阻晶圓等等，但這些技術也有自身的限制，沒辦法立即帶來像如同縮小體積般顯著的指數型成長，頂多讓半導體產業維繫接下來10年的光景。換句話說，科技巨頭們只能趕在這段時間去尋找能矽半導體的替代品，雖然有不少可能的方向，例如奈米碳管、超導體、量子電腦等等，但這些技術也都尚未完全成熟，是否真的能在近年扭轉頹勢，還有待觀察。

未來發展－你的舊電腦不再過氣的那麼快？

縱使成長放緩，美國科學界仍希望能在2020年達到每秒百萬兆次的運算速度，但田納西大學的電腦科學教授Jack Dongarra（超級電腦前500 名榜單中的常客）則認為保守估計也得等到2023年才能實現，日本與中國方面則較積極地想搶在2020達成這項目標。

在未來，首要受到影響的就是需要動用超級電腦的產業，例如國家級的氣象預測與氣候模型架構、新世代的雲端產業網路架構等等。對一般民眾而言，過去我們已經習慣芯片的高速淘汰與成長，未來或許也會開始查覺到這波放緩的趨勢，簡單來說，你會發現你的舊電腦似乎不會過氣的那麼快。

責任編輯：鄭國威
審校：陳妤寧

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