如何降低电脑的能耗？

林之森

现代世界淹没在海量的数据中。处理数据需要庞大的基础设施，从智能手机和电脑到全球数百万个数据中心。这些设备使用的电力在不断地翻倍。以这样的速度发展下去，未来的能源恐难支撑。如何在不增加能耗的情况下，让电脑变得更强大？

历史老路走不通了

众所周知，信息在电脑中是以0/1的形式存储和处理的。0/1对应晶体管微电子开关在施加电压时快速的开/关。这个过程会产生电阻，从而产生热量。鉴于芯片中动辄有数十亿个晶体管，所以一台电脑工作时散发的热量相当可观。

在历史上，电脑在计算能力突飞猛进的同时，能耗也在持续下降。这样的成就是由两件事情促成的。首先是晶体管的体积越做越小，大约每两年电脑芯片上的晶体管数量就翻一番，这一趋势被称为摩尔定律。晶体管数量增加，意味着信息处理能力更强大。第二个是，单个晶体管的能耗随着其尺寸的缩小也成比例下降。

可惜，这些趋势不会永远持续下去。现在的晶体管已经做得非常小，几乎接近物理极限，要让它变得更小，已经很困难。摩尔定律开始不适用。在这种情况下，历史老路走不通了，我们需要另辟蹊径。

替代传统计算机的方案

一条出路是改变硬件。目前，所有计算都是建立在硅的基础上的，硅的能耗相对较高。使用新材料，如锗、碳纳米管、石墨烯等，可以降低能耗。或者，可以用激光束组成的“电路”来代替电子电路，制造所谓的“光电脑”，来降低能耗。

也有人提议利用量子的一种特性——量子隧道效应——来降低能耗。在经典物理学中，当一个小球要翻越一座陡坡到山的另一侧时，必须翻越山顶;假如它的动能不足以支撑它翻越山顶，它就会在半坡上停下并滚回来。但在量子世界中，由于量子的特性，一个粒子不必非得具有“翻山越岭”的能量，就可出现在山的另一侧，就好像粒子有穿墙术，这叫量子隧道效应。粒子通过量子隧道效应运动到“山”的另一侧，不需要损耗能量，所以能降低能耗。

更奇特的一个建议是，通过改变电脑中使用电子的方式来降低能耗。我们知道，现在的电脑编码和处理信息，利用的是电子携带电荷、运动起来能产生电流这一性质。电流会产生电阻，从而产生热量。但像电子这样的微观粒子，还有其他特性，比如自旋。电子的自旋只有两个朝向，刚好对应二进制的0/1，因此可以用来编码信息。这样处理信息，只跟电子的自旋打交道，不会产生电阻，也就可以降低能耗。

更激進的替代方案是量子计算机。量子计算机不论硬件和算法，都迥异于传统的计算机，处理信息的能力空前强大，能耗也小。

这些替代方案前景都很诱人，不过目前看来，要实现都还有好长的路要走。硅的地位一时还动摇不了。

借鉴大自然，降低能耗

近年来，人们逐渐认识到，即使对硅基电脑不做根本性的变革，只要合理设计硬件和算法，也能降低能耗。这需要我们重新思考“计算”，在速度、准确性和效率等方面做出权衡。

我们知道，电脑以计算速度快和准而著称。在电脑发展史上，人们也一向以追求速度和准确为目的，但在很多时候，效率却被牺牲了。譬如，在某些情况下，电脑做出决策的速度却远不如人脑。遇到一头野兽，连原始人都能快速做出战斗还是逃跑的决策，但倘若让一台超级计算机来替你拿主意，它说不定要算上好几年。因为电脑计算一味追求准确性，首先它要确定这是什么野兽，是老虎？野猪？还是野马？野牛？然后确定是多大的，是老弱病残，还是壮年？它会不会主动攻击人？一个人能否制服它？两个人呢？……而这势必涉及大量计算，于是效率就被牺牲掉了。

大量的计算也以高能耗为代价。例如，大多数电脑的核心是一块中央处理器（即芯片），它相当于电脑的“大脑”，所有其他组件都受它指挥。不可否认，这种“集中”式计算模式是强大的，但这意味着，芯片每秒钟都要以难以置信的精度发出数十亿条指令，不仅计算量极大，能耗也是巨大的。相形之下，大自然赋予我们身体的每一个细胞独立执行DNA指令的能力，使细胞们不必“连线”就能协同工作。这样的“分列”式计算模式，虽然速度和精度上赶不上电脑，但有着更高的效率和更低的能耗。

此外，大自然已经创造了一台超级计算机——人脑，它每秒处理海量的信息，但能耗只及笔记本电脑的三分之一。这也为我们提供了一个牺牲精度，降低能耗，提高效率的例子。

在未来的物联网中，物联网动辄需要为数十亿个小型设备供电，这些设备往往位于难以充电的地方，在这种情况下，牺牲速度，降低能耗的“分列”式计算就非常有吸引力。科学家说，采用牺牲速度的折中方案，以现有硅基芯片，也完全可以设计出能耗降至现有电脑千分之几甚至万分之几的电脑。