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後摩爾定律的軟硬體發展
現在我們都離不開電腦和手機,我們也可以感覺到,年年都會推出新電腦和手機,效能也都年年增加,這幕後的重要推手就是摩爾定律,計算科技也因此改變了世界的面貌。然而,當摩爾定律達到極限時,計算科技是否會停滯,我們又該如何面對?台灣大學資工系教授洪士灝說:「這是危機也是轉機!」
 
 

現在我們都離不開電腦和手機,我們也可以感覺到,年年都會推出新電腦和手機,效能也都年年增加,這幕後的重要推手就是摩爾定律,計算科技也因此改變了世界的面貌。然而,當摩爾定律達到極限時,計算科技是否會停滯,我們又該如何面對?台灣大學資工系教授洪士灝說:「這是危機也是轉機!」

 

摩爾定律如何改變世界

 

摩爾定律一般認為是由英特爾創始人戈登.摩爾(Gordon Moore)最先提出,他預測半導體晶片上的電晶體數量,每年會增加一倍。目前普遍流行的說法則是,每18個月,電晶體數量會增加一倍。

 

由於每隔一年半,產量就會增加一倍,相當於每隔一年半,成本就會降低五成,也就是說,平均每年可降低約三成多的成本。從經濟層面來看,摩爾定律所帶來的成本效益極高。既然投資可以很快回收,許多廠商當然也願意花大錢投資下去,半導體業因此而蓬勃發展。

 

摩爾定律也提高了電腦的效能。電晶體越小,工作頻率就越高;電晶體愈多,就能同時做更多工作。兩者加乘之下,電腦效能就越來越好。然而,洪士灝說:「摩爾定律帶來了副作用,大家都偷懶!」程式不夠快沒關係,只要等一兩年,電腦就夠快了。由於不需要特殊化、異質計算,所以只追求通用型設計,例如電腦都是x86,手機都是ARM架構。

 

當摩爾定律走到盡頭

 

2004年,摩爾定律開始出現問題,被一堵功耗牆(power wall)擋住了前進的路。電晶體耗能會發熱,發熱總量可能會燒壞電晶體,所以不可能再增加工作頻率,也不能讓更多電晶體同時工作,單處理機的效能因而難以大幅增加。甚至有人認為,摩爾定律實際上已經終結。

 

另外,現今電晶體的尺寸已達奈米級,相當於原子的層級,技術門檻及研發成本都越來越高,已經少有廠商願意投入。目前能夠做7奈米以下的廠商只剩三家:台積電、英特爾、三星。

 

幸好2004年起,出現許多重量級應用,像是雲端計算與智慧型手機、物聯網與大數據、深度學習與人工智慧等。這些應用背後的關鍵技術就是多核心的平行及分散式計算。既然單處理機無法更強大,那就只能倚多為勝,因而繞過功耗牆,善用平行及分散式計算技術,轉向發展多核心處理機。這也使得摩爾定律得以用其他面貌維持下去。

 

這些應用需要大量的處理機才能發揮作用,而硬體也因為這些應用軟體才有了新的發展,這代表軟硬體的共生結構越來越緊密,軟硬體協同設計也變得格外重要。如果能根據應用的特性來處理軟硬體協同設計,就能發揮更大的效能。以Alpha Go為例,早期還使用繪圖處理機(GPU) 來處理人工智慧,到了2014年,Google開始研發TPU(Tensor Processing Unit),比同時期的GPU快30倍、省電80倍。第二代Alpha Go使用了48個TPU,第三、四代則只用了四個新式TPU,還更快、更省電,可見軟硬體協同設計威力之強大。

 

摩爾定律遲早會走到盡頭,而在後摩爾定律的時代,需要的是軟硬體兼備的素養和跨領域的團隊合作。洪士灝認為:「比起世界其他國家,台灣有不錯的基礎」,值得大家努力發展。

 

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