25年后，全球电力将无法负担所有电脑运算能耗？— 工业风向标

本文来自公号“工业风向标”

最近，美国半导体产业协会和半导体研究联盟共同发表了一份研究报告，预测认为按照全球科技产业目前的发展趋势，到2040年时，全世界生产的总电力将无法负担电脑等电子设备同时运行所消耗的电能。

这份报告声称，相关产业在未来25年内可能会遭遇瓶颈，因此当务之急是提高电脑的能源利用率。

理论支撑

报告是基于 Landauer 能量极限理论作出了上述预测。

这一理论是在1961年时由IBM 科学家 Rolf Landauer提出。 当时他在研究中发现，任意一台电脑在进行每一比特（bit）看似“虚拟”的运算时，都需要消耗一定的能量。据此，Rolf Landauer推导出了每比特能耗的下限公式，并将其命名为“Landauer 极限”。

近几十年，计算技术取得了突飞猛进的发展，每比特运算的实际能耗被大幅降低，甚至在逐渐接近“Landauer 极限”。

业界质疑

这份报告给全球能源危机提供了一个新视角的同时，也招致了业界质疑的声音。

知名软件公司 Cadence 的首席技术官 Chris Rowen 认为这一结论存在缺陷，报告将电子设备的能耗按照指数型增长来估计，这与市场的实际情况不符，因为从长远来看，市场会自动进行调节。

但无论如何，降低电脑能耗、提高运算效率早已成为业界共识，包括量子计算（Quantum Computing）、神经形态计算（Neuromorphic Computing）等在内的新型计算技术势必将引领这场变革。

2011年，史丹福大学教授 Jonathan Koomey 提出“Koomey 定律”：电子设备各类组件体积缩小及通讯时间缩短，使得每隔18个月，相同计算量的能耗也减少一半。

然而，包括 IBM、英特尔等芯片厂商在内的全球半导体行业协会近日发布了一份半导体技术发展路线图，预测到2021年后，晶体管的体积将不会进一步缩小，因为继续缩小晶体管体积将没有经济性。

因此，半导体企业在未来不得不寻找其他方法，提高单位芯片面积内整合的晶体管数量，以进一步提高运算能力。

节能途径

此外，新型计算技术为电脑节能目标提供了更加“高级”的途径。

美国 Quantum 公司利用量子物理学原理开发出的量子电脑，已获得更强劲的处理能力，甚至号称其单位能耗已经快达到“Landauer 极限”。

麻省理工学院（MIT）物理学家 Seth Lloyd 也表示，量子电脑的逻辑运算处理确实已经进入到了 Landauer 理论的范围内。

而模仿大脑结构的神经形态计算，则通过构造包括神经元、突触、神经回路和皮质功能区等神经形态器件形成“电子大脑”，让这些结构产生类似人脑的功能。

美国劳伦斯利福摩尔国家实验室（LLNL）和 IBM 今年共同研发了一款用于发展人工智能系统的超级电脑，就使用了名为 IBM TrueNorth 的神经形态计算芯片，其能耗仅相当于一个助听器需要的电量。

4 万倍

史丹福大学教授 Jonathan Koomey 指出，从1946年第一台电脑 ENIAC 诞生之日算起，如今电脑在提供相同电能时的计算量已经提高了4万倍。

声 音

从最初到现在，能源效率已经提高了约四万倍。 但是我们还有很长的路要走。这一切的发生与改变不可能被物理学上的困境所限，只会被人类自身的智慧所限。

—— 史丹福大学教授

Jonathan Koomey

全世界的电能不可能全部用于电脑计算，所以现在问题是，我们如何将有限的能源发挥最大的作用。

—— 半导体研究联盟副总裁

Celia Merzbacher

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