概率芯片

计算      佚名    2010-01-21

帕利姆是一位“异教徒”。在微芯片的世界里，精确与完美是不可或缺的。制造工序的每个步骤都要进行测试和复检，以确保每个芯片每次运算的精确结果。但美国赖斯大学的计算学教授帕利姆却认为，一点小小的误差也许是件好事。 帕利姆已找到了一种方法，允许较小的精度损失，但芯片的功耗却显著减少。其名称叫做“概率互补金属氧化物半导体技术”，即PCMOS。帕利姆认为，对许多应用领域，特别是音频或视频处理等领域，最后的结果并不是一个数字，即没必要追求最高精度。相反，芯片可以设计成在某一时段产生正确的答案，而在其他时段只需接近正确即可。由于误差很小，因此其影响也小。因此帕利姆相信，就计算精度而言，很接近就已经相当好了。 微芯片所做的每次运算都是依靠其晶体管记录，而当电子应对一个施加电压而穿过晶体管时，这个记录要么是1，要么是0。但电子总在移动，产生电“噪声”，为了克服噪声并保证晶体管标示出正确的值，大部分芯片都运行在一个相对较高的电压下。帕利姆的想法是，降低芯片的部分运行电压，尤其是运算最低位元的逻辑电路， 如运算数字21693中的个位数字3。由此导致的信噪比的降低意味着这些电路偶尔会得出错误的答案，但工程师们却能计算出任何一个特定电压下得出准确答案的概率。帕利姆说：“将准确率放宽一些，哪怕是一点点，都能产生明显的节电效应。” 几年之内，采用这种设计的芯片可以提升音乐播放器和手机等移动设备内电池的使用寿命。但大约在10年后，帕利姆的想法可能会产生更大的影响。届时，硅晶体管小得连工程师们都无法精确地控制其行为，因为晶体管具有内在的随机性。同时，帕利姆的技术对延续已有40年历史的摩尔定律非常重要，即晶体管密度呈指数增长的规律，而计算能力又何尝不是如此呢？ 帕利姆表示，2002年当开始实施他的想法时，人们“普遍”对PCMOS所揭示的原理表示怀疑。但在2006年出现了转折。当时，他和他的学生模拟出一个PCMOS电路，作为处理手机等视频流芯片的一部分，然后再把它与现有芯片的性能进行比较。他们在一次技术会议上进行了展示，许多观众都看不出两者的画质有什么不同。 帕利姆认为，PCMOS芯片可能会使移动设备的电池寿命延长10倍，且不会影响用户的使用效果。 在采用概率算法的应用领域，PCMOS也大有用武之地，如加密术和机器学习。这些领域的算法往往是为了尽快得到一个近似的答案。如今，既然PCMOS芯片能做到这一点，那么硬件也能做到软件的功能，而且既节省了电又提高了速度。帕利姆就想制作这样的设备，即用一个或多个PCMOS协同处理器处理加密等特定的任务，而一个传统芯片则用来处理其他的计算琐事。 帕利姆和他的科研小组已制作出一个加密设备，并开始进行测试。他们还在设计一个图表仪和一个可让人们调节手机耗电和性能的芯片，使消费者既可选择耗电多的高视频或通话质量高的模式，也可选择通话质量较低的但能省电的模式。为了将PCMOS推向市场，帕利姆正在计划建立一家或几家新兴企业，公司最早将于明年成立，而产品可能会在3年或4年后问世。 特尔公司的微处理器技术实验室主任博尔卡（Shekhar Borkar）指出，随着硅晶体管越来越小，基础物理手段也将变得越来越不稳定。他说：“所以，你想要的和你得到的结果就有了一定的随机性。”除了开发硬件的设计，帕利姆还创建了布尔代数的概率模拟技术，而布尔代数是计算机逻辑电路的核心。博尔卡相信，正是有了这种概率逻辑，摩尔定律才会延续下去。他表示，尽管要做的工作还很多，但帕利姆的科研成果“对任何数字型电子产品都有着非常广泛的用途”。 如果帕利姆的研究最终实现了乐观派的期望，那他可能会获得一个反叛者的最后满足：即看到自己的“异端邪说”变成了教条。 人物：帕利姆，美国赖斯大学 定义：PCMOS是一种微芯片设计技术，它让工程师能用一小部分计算精度的损失换取节省大量能源。 影响：短期内，PCMOS设计可显著提高移动设备中的电池寿命；10年后，如果摩尔定律仍然有用，我们就需要挖掘出PCMOS背后的理论。 背景：帕利姆和他的合作者开始制作具有特定用途的测试芯片；他正计划成立几个新兴企业，从而将该技术推向市场。 本文为美国Technology Review授权文章，未经书面许可，严禁转载使用。