解密智能设备的运算过程

财经 8943-10-01 16:01:52

编者按 智能手机或是电脑的运算过程,一直被认为是複杂而难以理解的。本文作者係香港城市大学电子工程学系副教授,他将计算机的运算过程与生活结合起来,为读者答疑解惑。计算机、智能手机是如何运算的呢?回答这个问题前,大家可以先想想我们是如何从小学习数学懂得做加减乘除。打开你的手指,大家很清楚知道,5+5=10,就是因为这双手在我们的世界裏,我们都是使用十进制的。但是在电脑世界裏,10对它来讲是很奢侈的,所以电脑的运算都是使用另外一种方式,叫做二进制,为什麼呢?比如我们回到家裏,把灯打开,它只有两个状态,就是开或者关,就等於是计算机的通电与不通电。所以在电脑世界裏的数字都是以0跟1表达出来的。当然在运算当中,我们很多时候的运算不是整数,反而是浮点数,即有小数点的数字,比如1.234乘以3.456就是一次浮点运算,现在我们使用的手机,用来计算速度的单位就是“每秒浮点运算次数”(FLOPS),所以一台苹果iPhone 4手机,它的运算能力大概是1.6亿次浮点运算每秒鐘(GFLOPS),而它的运算速度就等於是一台1985年全球最快的电脑(CRAY-2);而一台在广州的“天河二号”电脑的运算速度就等於1万8千4百台PS4遊戏机的速度;今年六月前的全球最快电脑,位於无锡的“神威·太湖之光”的运算能力,大约是125万亿次浮点运算每秒鐘,速度之快让人惊讶。

芯片未来的发展会是怎麼样?

在1965年的时候,英特尔公司的创办人发表了一篇文章,说集成电路的容量会以每一年翻一番的速度成长,这个这麼有远见的想法,在后来的50年证明是正确的,这个也让我们人类进入了科技的年代,但是在过去这10年我们买到的电脑,它们的运算速度没有一直往上提升,反而是以多核的中央处理器来运算,主要原因是当芯片的运算速度增快以后,它所产生的热量没有办法降低,以及製造一纳米的电晶体所需要的製造精準仪器非常複杂,情况就是你要製造一把全球最硬的刀,你需要一套非常精準的切割工具才能把它製造出来一样,所以现在也越来越多人开始讨论製造量子电脑,但仍然处在大学以及研究所的研究阶段,内容我们可以等到下回分解。

为什麼製造芯片的公司,他们的员工好像都坐在太空飞船裏?

现在最新的民用芯片製造技术,已经到了纳米级别,一个病毒我们看不见,其实它的大小大约有100纳米。所以我们打个喷嚏,或者一根头髮或者手指裏的皮肤掉出来,都会把芯片破坏掉,在製造芯片的公司,他们一定需要无尘房,让製造的时候,一尘不染,其实这些无尘房间也分了四五种国际水平,主要的区分是在一个空间以内尘埃的数量多少。所以说製造芯片的员工像是太空裏面工作,一点也不夸张。比如我们现在使用最新的苹果手机IPhone XS,它的芯片就是A12,或是华为最新手机使用麒麟980芯片,它们都是使用7纳米的技术把芯片製造出来的。

芯片製造过程当中,最複杂的是哪个部分?

其实在设计芯片过程当中,一位负责硬件编辑的工程师,他製造的芯片在还没有到流片的工序之前,已经需要最少10位验证工程师评审以及鉴定每一个逻辑门以及他们连结的关係是否正确。当中所遇到的难题和複杂度都非常的高,在这方面培养人才的工作,变得非常重要。有一位苹果的高级经理向我分享,如果在香港有学生具备这方面的经验,他非常愿意把他们全部带到美国硅谷苹果总部工作,从而可见这方面的工程师需求非常的多,我也非常鼓励本地的学生或是外地来香港求学的学生,立足香港,把眼界放到世界。

晶片是如何製造出来的呢?

晶片或者叫芯片的正确名称是集成电路,它的核心单位是逻辑门,比如一个我们使用的手机,它裏面会有很多芯片,而每一个芯片都会有很多逻辑门。逻辑门又是什麼呢?比如,今天孩子要去沙滩玩,她要爸爸和妈妈同意才可以去,这个就是与门(AND gate)。另外一个例子,今天要去北京,我们可以坐飞机去,同时也可以选择坐高铁去,哪裏有车有飞机就能去,这种关係就是或门(OR gate)。其实今天在我们的手机裏的每一个芯片,都有上千上百万的与门和或门,从而把芯片製造出来,而它的主要材料就是二氧化矽,可以在很多沙粒中提取出来。而逻辑门要把它产生出来的方法,就是使用晶体管(Transistor),而发明它的三位科学家,也获得了1956年的物理诺贝尔奖。

製造芯片跟编程有什麼关係?

这个问题可以从两个方向回答,第一我们可以用硬件的描述语言,把逻辑门描述出来,然后运用製造软件把芯片从小到大整合变成可以使用的複杂芯片。真正的做法其实是需要每一个逻辑门用画画的方式,把它们画出来。但在现实中,我们要画上百万个逻辑门,将每一个逻辑门描述出来是不现实的,所以现在的芯片公司他们都会有自己的硬件芯片工程师,把自己的芯片製造出来。比如在2008年的时候,苹果电脑就收购了一所专攻核心处理器的芯片处理公司,以及他们公司的全部工程师。今天苹果公司的成功,源於一直坚持自己製造核心芯片。同样道理,今天在中美贸易战鬥当中,有国内的芯片公司受到了影响,主要的原因是他们使用的芯片不是自己研发出来的。而这些工程师的经验都是长期的宝贵经验累积,以及经过长久的产品开发流程,才能达到一流的水準。第二个方向,我们可以用软件的编程语言,编写程式然后让手机的核心处理器运作我们需要的工作,比如收看电邮或者打打遊戏,所以编程主要可以分成为两个方向,第一个是编写硬件芯片,第二个是编写软件,他们之间的关係是相辅相成的。

晶体管是怎麼通电从而製作电脑裏的0和1?

这个问题非常有趣,大家不知道有没有在读小学的时候见过“马路安全队”呢,其实在过马路的时候会有三个点,第一是学校的门口,第二是学校马路的对面,第三是带着牌子站在马路中间的大哥哥或是老师,还有很重要的是过马路的小学生。其实每一个晶管体都有三个点,而它主要控制的是把电子从第一个口送到第二个口,中间要经过一个通道,而这条通道就是我们在给电的时候才出现的。不给电的时候,电子是不能移动过去的,而马路的状态就是我们刚刚提到的主要材料二氧化矽,它是一种半导体,有时候它会导电,有时候它不会导电,这就是半导体的意思。还有大家经常很关注的硅谷,就是因为它有很多科技公司製造芯片供应全球。

香港适合成为发展芯片的中心吗?

一个芯片设计中心不光只有生产的部分,其实更重要的,是它的设计部分。香港早在还没有回归的时候,已经设计了全球知名的摩托罗拉龙珠芯片。有很多人在全球各地使用的手持设备当中都运用了这个芯片。今天大家都很关注的华为麒麟芯片,它的核心处理器也是在香港设计的。所以我认为香港绝对有条件、有优势成为芯片设计的全球中心,因为香港具备了完善的知识产权保护以及一流的人才。但是当年当摩托罗拉离开了香港以后,很多工程师都转型去了其他行业或者工程相关的行业,我认识很多当时的工程师,都向我表达了意愿,愿意回到大学教书,传授他们的知识和经验给现在的大学生们。但另一方面,香港面对的竞争也非常激烈,举个最简单的例子,我自己的博士生在毕业以后会选择到深圳华为做工程师,而没有留在香港,其中一个很大的原因是因为深圳市政府给这一批博士毕业生80万至150万人民币并作为“孔雀计劃人才”引进。希望香港在这方面也继续努力。

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