高能效计算革命改变一切

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作者：乔纳森·库密　发稿时间：2012-04-12 13:34:22　
计算不仅越来越便宜，而且变得更加节能。这意味着世界上会遍布传感器和纳米数据流。

更低的能耗： 每隔一年半，电脑使用等量能源所完成的计算量就会翻一番。
来源：乔纳森·库梅
电脑的性能正在以惊人的速度稳步增长，自1970年代以来，每一年半就会翻一番。然而，大多数人不知道的是，自计算机时代的黎明以来，计算的电能效率（每度电能完成的计算量）也在以每一年半翻一番的速度提高。
这导致依靠电池的计算设备的耗电量迅速下降，笔记本电脑和手机也正是由于这一趋势才得以出现。这对未来最重要的影响是，完成一定量计算任务所需的电量，还将以每一年半减少一半的速度降低（或者说，每十年降低至百分之一）。因此，更小巧的、能源需求更低的计算设备也会普及，为新的移动计算和通信应用铺平道路，大大提高我们实时收集和使用数据的能力。
由美国华盛顿大学的约书亚·史密斯（Joshua Smith）发明的“无线无电池传感器”，就是超低功耗计算技术支持的一个例子。这些传感器能够从外泄的零星电视和广播信号获得能量，每隔五秒就把气象站的数据传输到室内的显示器上。它们的能耗小到平均50毫瓦，因而不需要任何其他的电源。
对来自于周围环境中的光线、运动或热量进行收集所获取的背景能量，使无外部电源却能永久运行的移动传感器成为可能，也意味着可获取数据的爆炸式增长。移动传感器的出现，扩展了麻省理工学院管理学教授埃里克·布林约尔松（Erik Brynjolfsson）所说的“纳米数据”的发展前景。纳米数据即精细分类的定制化数据，可详细描述个人、交易和信息流的特点。
这一趋势会持续多久？1985年，物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）推测，电脑的能效可以在当时的水平上提高至少一千亿倍。然而我们的数据显示，从1985到2009年，计算设备的能效只提高了约四万倍。换句话说，我们几乎根本没有发掘出全部的潜力。
具体来说，如果现在的一台MacBook Air电脑以1991年的电脑的能源效率运行，它的电池充满电只能坚持2.5秒。同样，目前世界上运算速度最快的超级计算机，日本的富士通K，每秒可以运算1.27亿亿次，现在的功率是惊人的12.7兆瓦。这足够为一个中型市镇供电了。不过理论上来说，二十年内，一台计算能力相当于K的电脑的耗电量就会降至一台烤面包机的水平。而运算能力堪比现在的笔记本电脑的设备，将只需极其微小的电力就能运行。
这里所说的现象，将决定所有基于硅材料的设备的能效，但尚无人知道数据传输的能效（比如传感器发出无线信号的能源消耗量）是否能以类似速度提高。关于信息传输速度、通讯频率，以及在这些设备没有执行任务时如何降低能耗的种种设计上的选择，都对移动设备的整体用电情况有显著影响。而提高计算效率的效果就是要推动这些传输领域的创新，因为这是唯一能够充分利用新的计算和传感技术的途径。
计算能源效率的长期增长（和这一增长所催生的技术）将给我们收集和分析数据的方式，以及利用这些数据更好地进行决策的方式带来革命性的改变。这将有助于“物联网”成为现实，物联网的发展将在未来十年对企业和社会的发展产生深远的影响。它将使我们能够更精确地控制工业生产过程，更迅速和有效地评估我们行动的结果，并迅速改造我们的机构和业务模式，以反映新的现实。它还将帮助我们以更具实验性的方式与世界互动：我们将能够用真正的实时数据验证我们的猜想，并根据现实加以修正。
从历史上看，最好的计算机科学家和芯片设计师们都专注于解决高性能计算的前沿问题，毫无疑问，他们当中的许多人仍然会对这些问题感兴趣。不过计算能源效率的不断进步，现在正在不断吸引顶级设计师和工程师来解决一些新的问题---一种由全系统的综合设计、一流的节电和数据传送方式，以及改变人和宇宙的关系的现实可能性共同定义的问题。我个人非常高兴看到他们应对了这一挑战。
乔纳森·库梅（Jonathan Koomey）是一位作家，企业家，并在斯坦福大学担任顾问教授。他是《冰冷现金，凉爽气候：给生态企业家的科学建议》一书的作者。