“硅器时代”的信息社会

薛春来 王启明

信息社会以计算机信息处理技术和传输手段的广泛应用为基础和标志，无论是社会生活方式与管理方式，还是现代化生产过程，信息均成为主题要素。计算机、光网络、传感器以及光伏能源技术等是信息社会的主要组件，它们的核心材料是硅。

1950年代末，随着半导体技术的发展，计算机出现并逐步普及，信息对社会的影响逐渐显现。信息量，信息传播和信息处理的速度，以及信息应用的程度等都以几何级数的方式增长，信息技术在社会发展中的作用日益加强，人类开始迈入信息社会。

信息社会的重要组成

信息社会中，信息就像灵魂，其他社会设施如交通工具、工业机器等都是现代信息社会的机体，它们都受信息这个灵魂的指挥。

如果把信息社会比作人体，那么它也有大脑、神经系统、耳目及心脏等。人的大脑用于认识事物、判断事物并改造事物。信息社会的大脑就是计算机，用于处理和判断信息。现在计算机的处理速度已远远超过人脑，人可能一辈子都无法完成的计算量，计算机不到一秒钟就能完成。计算机的运算速度，对于信息社会的发展具有非常重要的意义，它是处理日益增长的海量数据的利器。作为信息社会大脑的计算机及其数据中心，已应用到社会的各个方面。例如，依靠超级计算机做及时准确的天气预报，虽然目前只能做短期预报，但如果未来计算机的运算速度足够快，计算精度足够高，中长期天气预报将不再是难题。石油、天然气、矿产等的地质勘察，海啸、地震等自然灾害的预警同样需要超级计算机的支持。计算机还可以对空气质量进行分析，如雾霾的成分机制、污染的来源等，这是治霾工作中的重要一环。超级计算机在军事领域也有着重要应用，尤其在核实验模拟、情报破译处理等方面。在工业生产中，工业生产线包括工业化的核心——机床都已智能化，部分元件已经实现3D打印制造。工业加工时，程序和部件参数预先设定，在工业计算机的控制下，可在设计框架内按需动态改变加工的精度，实现机床的智能化生产。

人类通过神经系统来传输人体感知到的外界环境信息，并将它们传递给大脑，大脑经过处理判断后，将动作指令反馈给身体的相应部位，如手、脚、眼睛等。信息传输系统就是信息社会的神经系统，由主干光网络、互联网及通信终端组成。它们将外部信息及时有效地传送给处理中心，同时准确无误地将处理中心的指令传输给对应的系统。目前，互联网技术发展迅速，光网络已遍及全球，尤其是亚洲、美洲、欧洲，总长度已超过20亿芯公里。我国的骨干网八纵八横，近几年已经部署完成，除中国台湾地区外，骨干网遍布各个省市自治区。截至2014年6月底，我国光纤总量超过7.5亿芯公里，光缆长度达1884万公里。

信息社会的神经系统面临着两个主要挑战。一个是如何保障海量信息高速、低成本地传输。近年来，信息量激增，要实现便利的信息交流，对信息传递的容量和速度有着更高的要求。另一个挑战是如何保证信息的安全。人类的神经系统相对安全，目前尚无技术手段可以快速截获人类神经系统传输的信息。但是在信息社会，在互联网中传输的信息很容易被黑客利用技术手段窃取。对于社会的核心部门，尤其是政府部门、军事部门、金融系统等，信息的安全性是排第一位的，为避免信息被窃取和破坏的情况发生，需要对信息进行加密。但是就目前的加密手段而言，再复杂的密码都可以被破译，破译的关键是解密的算法是否正确以及计算机的处理速度。如果算法合适，超级计算机可以在很短时间内将密码破解，信息的安全性仍无法保证。基于量子力学理论的量子密码技术可以解决信息被黑客攻击的安全隐患，是信息安全研究未来的发展方向。

人靠耳目等五官来感知外部环境的变化，将信息通过神经系统传递给大脑。在信息社会同样需要“耳目”将需要处理的信息汇集给神经系统。简单来讲，目前物联网中的各式传感器，甚至每一台电脑、手机，都是信息社会的终端，用于收集网罗信息。

人体的动力源是心脏，而信息化社会的动力源就是能源，能源对于人类社会的重要性不言而喻。如果没有了电力能源，所有的计算机、网络系统以及信息终端等都无法运行，信息也失去其存在的载体，社会将陷入瘫痪。

信息社会核心组件的发展

在信息社会中，计算机已经非常普及，有大型机、小型机、工业计算机、个人计算机（PC机）等多种类别，用途各异。

计算机的发展主要表现在其核心部件——中央处理器（central processing unit，CPU）上。CPU是计算机的运算和控制核心，用于解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。截至目前，个人计算机的CPU已经历了从最初的4位处理器Intel 4004到最新的酷睿（Core）系列微处理器六个阶段。

1971年，4位处理器——4004诞生。8位处理器8008和8080分别于1972年和1974年发布。1978年6月8日，英特尔公司正式发布新款16位微处理器“8086”.开创了微处理器x86架构时代。IBM选择了8086处理器的衍生产品8088作为其PC的处理器，这一举措给x86带来了巨大的发展机遇。

1985年10月17日，英特尔公司发布Intel 80386处理器，它将PC机从16位时代带入32位时代。80386芯片含27.5万个晶体管，时钟频率为12.5兆赫，后提高到33兆赫。1980年代中期到1990年代中期.80386被广泛应用在PC兼容机中，这些兼容机被称为“80386计算机”或“386计算机”，简称“80386”或“386”。80386强大的运算能力令PC机的应用领域得到大幅拓展，商业办公、科学计算、工程设计、多媒体处理等都离不开PC机。

而后微处理器进入奔腾（Pentium）系列，该系列于1993年3月22日开始销售。奔腾4处理器集成了5500万个晶体管，时钟频率最高可达3.8吉赫。奔腾4的单核运算能力约20亿次/秒，集成电路采用的特征线宽最初为180纳米，后期改为130纳米。当年的一台386台式机价值3万元人民币，而一台奔腾4单核的台式机已降至几千元。可以看出，随着集成电路特征线宽的减小，集成度的增加，微处理器的性能越来越好，同时成本也逐渐降低。

奔腾系列是单核CPU，单核CPU的终点就是奔腾4系列微处理器，之后计算机微处理器开始步入双核、四核的多核时代。

尽管随着集成电路特征线宽减小和芯片集成度增加，逻辑门的性能可以继续提升，但是由于存在金属导线的趋肤效应（skin effect），连线的电阻和功耗会增加，RC电路的延时时间难以进一步缩小，互联的瓶颈效应越来越明显。因此单CPU的速度不可能无限提升，要进一步提高主频（速率）、降低能耗、解决散热问题，所需付出的代价、成本以及面临的困难以指数形式上升，超级CPU的研制很快遭遇到了技术瓶颈.，但是随着社会需求的爆发式增加，计算机的性能必须进一步提升。在集成电路的互联技术没有突破之前，提升性能的办法只能采取并行处理方式，即利用多个CPU分工协作。

并行技术是大型计算机的关键技术。目前，世界上运算速度最快的计算机是中国的天河二号。2015年7月，天河二号以峰值计算速度每秒5.49x10¹⁶次，持续计算速度每秒3.39x10¹⁶次双精度浮点运算的优异性能，在国际TOP500组织发布的第45届世界超级计算机500强排行榜上再次位居第一，此次已是连续第，瓦次夺冠。

天河二号超级计算机系统由170个机柜组成，占地面积720㎡，内存总容量1400万亿字节，存储总容量12400万亿字节，最大运行功耗17.8兆瓦。天河二号共有312万个计算核心，采用了38.4万颗Intel Xeon Phi 3ISIP协处理器.4096颗国产Galaxy Fvr-1500前端节点处理器，处理器数量规模比起第二名的Titan以及天河一号A高出一个数量级。

超级计算机系统的组成非常复杂，此外它需要占用大量空间，随着性能的进一步提升，计算机的占地面积会更大。如果希望计算机占用的空间不随着计算性能的提升而增加，一种解决办法就是提高芯片的集成度。逻辑门的尺寸已达到纳米级，奔腾4就采用了130纳米制造工艺。目前主流的CPU的制造已经采用22纳米工艺，英特尔公司于2015年8月10日推出的CPU酷睿Skylake采用的是14纳米制造工艺。逻辑门尺寸减小后，单位面积集成度提高，130纳米线宽工艺的奔腾4大约集成了5500万个晶体管，如果线宽减少到10纳米，集成度可以提高10倍。

然而，通过降低芯片制造工艺的特征尺寸来缩小计算机尺寸，会带来另外一些问题。首先是成本问题，集成电路生产线的投资很大。英特尔公司差不多在十年内，投入了1100亿美元用于工艺的研发和生产线建设，一条22纳米的集成电路生产线的投资成本约100亿美元，相当于一个普通航母舰队的投入。进一步降低集成电路器件的尺寸，工艺研发和生产线投入的资金都会以指数级增长。

硅基光电子研究

计算机的发展牵引着集成电路的发展，集成电路的发展又推动微纳技术的发展。研究发现芯片自22纳米继续减小，其漏电流显著增加，逻辑门的亚阈值摆幅也会变差，影响计算机的可靠度。研究同时还发现，芯片组件的互联会导致芯片的能耗变大，散热难度随即也加大。这种功耗的增加在个人电脑上似乎显得无关紧要，但是对于超级计算机及数据中心而言，却是致命的问题。目前，功耗控制和散热问题是超级计算机面临的首要挑战，现有的集成技术并没有很好地解决这些难题。

我国正在着手部署研制天河三号超级计算机，运算速度将提高到10¹⁷次/秒，未来还要实现运算速度达10¹⁸次/秒的艾级超级计算机。以现有技术，建造天河三号的费用将超过2亿美元，并将面临诸如功耗、散热等一系列技术问题和运行及维护问题。国际上公认的艾级超级计算机的标准功耗必须控制在20兆瓦内，这就要求未来的超级计算机在制造工艺上必须有革命性突破。

计算机的高功耗，是由计算机中电子传输信息的本质决定的。一个新的节能发展趋势就是将现有成熟的微电子与光电子技术结合。硅基微电子器件价格低廉且工艺技术成熟，而光子具有极高的传输速率、高抗干扰性和低功耗的优势。二者结合的硅基光电子器件不仅功耗能小，而且速率有保证。

目前硅基光子学的研究已经成为国际前沿研究热点，美国、欧盟、中国以及日本等都已经推出相应的研究计划，利用硅光子学提升超级计算机、数据中心的性能已经成为业界共识。目前，基于硅光子学的核心器件，如探测器、调制器、光交换及路由器等的研发已有较大进展，部分器件及集成模块已在CMOS生产线上实现量产。硅基光子研究开始从核心器件阶段步人规模集成阶段，现阶段需要攻克的是硅基光源。预计未来5-10年，基于硅基四族材料的激光器将会让这一瓶颈问题迎刃而解。

现在天河二号已完全实现了机柜间的光互连，下一步将考虑到片间的光互连，未来随着技术的发展要进一步实现芯片内部的光互连。

国际上，IBM提出利用核之间的光互连方案设计新的计算机结构。未来计算机可能采用立体结构，下面是计算层，中间是存储层，上面是光子层。预计到2018年，光层互连结构中，信息传输的速度可达70太比特/秒（太比特即Terabit，1太比特=10¹²比特）。届时，超级计算机可能只需要安装几百个芯片。

硅器时代

劳动工具的变革始终贯穿于人类社会的发展历程。劳动工具的材料决定了时代特征，人类社会已经历了石器时代、青铜器时代、铁器时代、蒸汽时代等多个时代。

原始社会，人类利用天然的石材、木棒等制作简陋的工具。约在公元前4000年，青铜器开始出现，青铜器时代由此开始。随着青铜器的大规模应用，农业和手工业的生产力水平大幅提高，物质生活条件也逐渐丰富。继青铜时代之后，以冶铁和使用铁器为标志的铁器时代出现。1840年的工业革命将人类带入了蒸汽时代，这一时代重要的生产工具仍然是铁制工具。

计算机是信息社会的核心，其主要部件CPU、存储器等均为基于硅材料的集成电路，硅就像计算机的细胞。信息社会的信息传输网络已遍布空天、地面和海洋，并已实现全球联网。这些网络的主体是光纤，而光纤的主要成分也是硅。

雷达、传感器、手机、摄像设备等都是信息社会获取信息的“耳目”。雷达可以实现信息的定位，它主要依靠四象限的硅探测器探测波长为1.06微米的反射光，并根据回光特性来判定目标的距离、大小等。摄像头、手机终端等常见设备的核心器件是互补金属一氧化物一半导体（CMOS）和电荷耦合器件（CCD），它们的主材料也是硅。传感器的种类繁多，例如光纤传感器，它能够在人无法到达的地方（如高温区）或者对人有害的地区（如核辐射区）获取信息。目前，此类传感器已广泛应用于桥梁、大坝、铁路、电力系统、火箭推进系统以及油井安全等方面的监测。医学上也有大量硅传感器应用，比如对癌细胞的检测，可以利用硅纳米材料制备的传感器来硷测样本里面是否有癌细胞存在。这些传感器的核心材料也都是硅。

硅材料还是未来社会主要的动力来源。当前的动力主要来源仍然是石油、煤炭等，但是这些化石能源储量有限且污染严重，而核能因其安全隐患无法得到广泛应用。为保证社会可持续发展，必须增加使用清洁能源，减少碳的排放量。太阳辐射到地球的能量高达17.3万太瓦，每秒钟照射到地球上的能量相当于500万吨标准煤，太阳能具有的无污染、可持续、总量大、分布广等优点令其成为绿色新能源中的重要一员。通过半导体太阳能光伏电池，太阳能可直接转换为电能，为人所用，未来太阳能光伏电池及电站将为信息社会提供大量的清洁能源。从电池的综合性能考虑，硅无疑是最好材料，目前以硅为基底的太阳能光伏电池已占据了半导体太阳能光伏电池的主导地位。

当今，硅材料已渗入社会的各个环节，成为信息社会主要生产工具的主体，因此从这一视角看，我们现在所处的时代可称为硅器时代。