“硅器時代”的信息社會

薛春來 王啟明

信息社會以計算機(jī)信息處理技術(shù)和傳輸手段的廣泛應(yīng)用為基礎(chǔ)和標(biāo)志，無論是社會生活方式與管理方式，還是現(xiàn)代化生產(chǎn)過程，信息均成為主題要素。計算機(jī)、光網(wǎng)絡(luò)、傳感器以及光伏能源技術(shù)等是信息社會的主要組件，它們的核心材料是硅。

1950年代末，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)出現(xiàn)并逐步普及，信息對社會的影響逐漸顯現(xiàn)。信息量，信息傳播和信息處理的速度，以及信息應(yīng)用的程度等都以幾何級數(shù)的方式增長，信息技術(shù)在社會發(fā)展中的作用日益加強(qiáng)，人類開始邁入信息社會。

信息社會的重要組成

信息社會中，信息就像靈魂，其他社會設(shè)施如交通工具、工業(yè)機(jī)器等都是現(xiàn)代信息社會的機(jī)體，它們都受信息這個靈魂的指揮。

如果把信息社會比作人體，那么它也有大腦、神經(jīng)系統(tǒng)、耳目及心臟等。人的大腦用于認(rèn)識事物、判斷事物并改造事物。信息社會的大腦就是計算機(jī)，用于處理和判斷信息?，F(xiàn)在計算機(jī)的處理速度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人腦，人可能一輩子都無法完成的計算量，計算機(jī)不到一秒鐘就能完成。計算機(jī)的運算速度，對于信息社會的發(fā)展具有非常重要的意義，它是處理日益增長的海量數(shù)據(jù)的利器。作為信息社會大腦的計算機(jī)及其數(shù)據(jù)中心，已應(yīng)用到社會的各個方面。例如，依靠超級計算機(jī)做及時準(zhǔn)確的天氣預(yù)報，雖然目前只能做短期預(yù)報，但如果未來計算機(jī)的運算速度足夠快，計算精度足夠高，中長期天氣預(yù)報將不再是難題。石油、天然氣、礦產(chǎn)等的地質(zhì)勘察，海嘯、地震等自然災(zāi)害的預(yù)警同樣需要超級計算機(jī)的支持。計算機(jī)還可以對空氣質(zhì)量進(jìn)行分析，如霧霾的成分機(jī)制、污染的來源等，這是治霾工作中的重要一環(huán)。超級計算機(jī)在軍事領(lǐng)域也有著重要應(yīng)用，尤其在核實驗?zāi)M、情報破譯處理等方面。在工業(yè)生產(chǎn)中，工業(yè)生產(chǎn)線包括工業(yè)化的核心——機(jī)床都已智能化，部分元件已經(jīng)實現(xiàn)3D打印制造。工業(yè)加工時，程序和部件參數(shù)預(yù)先設(shè)定，在工業(yè)計算機(jī)的控制下，可在設(shè)計框架內(nèi)按需動態(tài)改變加工的精度，實現(xiàn)機(jī)床的智能化生產(chǎn)。

人類通過神經(jīng)系統(tǒng)來傳輸人體感知到的外界環(huán)境信息，并將它們傳遞給大腦，大腦經(jīng)過處理判斷后，將動作指令反饋給身體的相應(yīng)部位，如手、腳、眼睛等。信息傳輸系統(tǒng)就是信息社會的神經(jīng)系統(tǒng)，由主干光網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)及通信終端組成。它們將外部信息及時有效地傳送給處理中心，同時準(zhǔn)確無誤地將處理中心的指令傳輸給對應(yīng)的系統(tǒng)。目前，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，光網(wǎng)絡(luò)已遍及全球，尤其是亞洲、美洲、歐洲，總長度已超過20億芯公里。我國的骨干網(wǎng)八縱八橫，近幾年已經(jīng)部署完成，除中國臺灣地區(qū)外，骨干網(wǎng)遍布各個省市自治區(qū)。截至2014年6月底，我國光纖總量超過7.5億芯公里，光纜長度達(dá)1884萬公里。

信息社會的神經(jīng)系統(tǒng)面臨著兩個主要挑戰(zhàn)。一個是如何保障海量信息高速、低成本地傳輸。近年來，信息量激增，要實現(xiàn)便利的信息交流，對信息傳遞的容量和速度有著更高的要求。另一個挑戰(zhàn)是如何保證信息的安全。人類的神經(jīng)系統(tǒng)相對安全，目前尚無技術(shù)手段可以快速截獲人類神經(jīng)系統(tǒng)傳輸?shù)男畔?。但是在信息社會，在互?lián)網(wǎng)中傳輸?shù)男畔⒑苋菀妆缓诳屠眉夹g(shù)手段竊取。對于社會的核心部門，尤其是政府部門、軍事部門、金融系統(tǒng)等，信息的安全性是排第一位的，為避免信息被竊取和破壞的情況發(fā)生，需要對信息進(jìn)行加密。但是就目前的加密手段而言，再復(fù)雜的密碼都可以被破譯，破譯的關(guān)鍵是解密的算法是否正確以及計算機(jī)的處理速度。如果算法合適，超級計算機(jī)可以在很短時間內(nèi)將密碼破解，信息的安全性仍無法保證?；诹孔恿W(xué)理論的量子密碼技術(shù)可以解決信息被黑客攻擊的安全隱患，是信息安全研究未來的發(fā)展方向。

人靠耳目等五官來感知外部環(huán)境的變化，將信息通過神經(jīng)系統(tǒng)傳遞給大腦。在信息社會同樣需要“耳目”將需要處理的信息匯集給神經(jīng)系統(tǒng)。簡單來講，目前物聯(lián)網(wǎng)中的各式傳感器，甚至每一臺電腦、手機(jī)，都是信息社會的終端，用于收集網(wǎng)羅信息。

人體的動力源是心臟，而信息化社會的動力源就是能源，能源對于人類社會的重要性不言而喻。如果沒有了電力能源，所有的計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及信息終端等都無法運行，信息也失去其存在的載體，社會將陷入癱瘓。

信息社會核心組件的發(fā)展

在信息社會中，計算機(jī)已經(jīng)非常普及，有大型機(jī)、小型機(jī)、工業(yè)計算機(jī)、個人計算機(jī)（PC機(jī)）等多種類別，用途各異。

計算機(jī)的發(fā)展主要表現(xiàn)在其核心部件——中央處理器（central processing unit，CPU）上。CPU是計算機(jī)的運算和控制核心，用于解釋計算機(jī)指令以及處理計算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)。截至目前，個人計算機(jī)的CPU已經(jīng)歷了從最初的4位處理器Intel 4004到最新的酷睿（Core）系列微處理器六個階段。

1971年，4位處理器——4004誕生。8位處理器8008和8080分別于1972年和1974年發(fā)布。1978年6月8日，英特爾公司正式發(fā)布新款16位微處理器“8086”.開創(chuàng)了微處理器x86架構(gòu)時代。IBM選擇了8086處理器的衍生產(chǎn)品8088作為其PC的處理器，這一舉措給x86帶來了巨大的發(fā)展機(jī)遇。

1985年10月17日，英特爾公司發(fā)布Intel 80386處理器，它將PC機(jī)從16位時代帶入32位時代。80386芯片含27.5萬個晶體管，時鐘頻率為12.5兆赫，后提高到33兆赫。1980年代中期到1990年代中期.80386被廣泛應(yīng)用在PC兼容機(jī)中，這些兼容機(jī)被稱為“80386計算機(jī)”或“386計算機(jī)”，簡稱“80386”或“386”。80386強(qiáng)大的運算能力令PC機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域得到大幅拓展，商業(yè)辦公、科學(xué)計算、工程設(shè)計、多媒體處理等都離不開PC機(jī)。

而后微處理器進(jìn)入奔騰（Pentium）系列，該系列于1993年3月22日開始銷售。奔騰4處理器集成了5500萬個晶體管，時鐘頻率最高可達(dá)3.8吉赫。奔騰4的單核運算能力約20億次/秒，集成電路采用的特征線寬最初為180納米，后期改為130納米。當(dāng)年的一臺386臺式機(jī)價值3萬元人民幣，而一臺奔騰4單核的臺式機(jī)已降至幾千元?？梢钥闯?，隨著集成電路特征線寬的減小，集成度的增加，微處理器的性能越來越好，同時成本也逐漸降低。

奔騰系列是單核CPU，單核CPU的終點就是奔騰4系列微處理器，之后計算機(jī)微處理器開始步入雙核、四核的多核時代。

盡管隨著集成電路特征線寬減小和芯片集成度增加，邏輯門的性能可以繼續(xù)提升，但是由于存在金屬導(dǎo)線的趨膚效應(yīng)（skin effect），連線的電阻和功耗會增加，RC電路的延時時間難以進(jìn)一步縮小，互聯(lián)的瓶頸效應(yīng)越來越明顯。因此單CPU的速度不可能無限提升，要進(jìn)一步提高主頻（速率）、降低能耗、解決散熱問題，所需付出的代價、成本以及面臨的困難以指數(shù)形式上升，超級CPU的研制很快遭遇到了技術(shù)瓶頸.，但是隨著社會需求的爆發(fā)式增加，計算機(jī)的性能必須進(jìn)一步提升。在集成電路的互聯(lián)技術(shù)沒有突破之前，提升性能的辦法只能采取并行處理方式，即利用多個CPU分工協(xié)作。

并行技術(shù)是大型計算機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。目前，世界上運算速度最快的計算機(jī)是中國的天河二號。2015年7月，天河二號以峰值計算速度每秒5.49x10¹⁶次，持續(xù)計算速度每秒3.39x10¹⁶次雙精度浮點運算的優(yōu)異性能，在國際TOP500組織發(fā)布的第45屆世界超級計算機(jī)500強(qiáng)排行榜上再次位居第一，此次已是連續(xù)第，瓦次奪冠。

天河二號超級計算機(jī)系統(tǒng)由170個機(jī)柜組成，占地面積720㎡，內(nèi)存總?cè)萘?400萬億字節(jié)，存儲總?cè)萘?2400萬億字節(jié)，最大運行功耗17.8兆瓦。天河二號共有312萬個計算核心，采用了38.4萬顆Intel Xeon Phi 3ISIP協(xié)處理器.4096顆國產(chǎn)Galaxy Fvr-1500前端節(jié)點處理器，處理器數(shù)量規(guī)模比起第二名的Titan以及天河一號A高出一個數(shù)量級。

超級計算機(jī)系統(tǒng)的組成非常復(fù)雜，此外它需要占用大量空間，隨著性能的進(jìn)一步提升，計算機(jī)的占地面積會更大。如果希望計算機(jī)占用的空間不隨著計算性能的提升而增加，一種解決辦法就是提高芯片的集成度。邏輯門的尺寸已達(dá)到納米級，奔騰4就采用了130納米制造工藝。目前主流的CPU的制造已經(jīng)采用22納米工藝，英特爾公司于2015年8月10日推出的CPU酷睿Skylake采用的是14納米制造工藝。邏輯門尺寸減小后，單位面積集成度提高，130納米線寬工藝的奔騰4大約集成了5500萬個晶體管，如果線寬減少到10納米，集成度可以提高10倍。

然而，通過降低芯片制造工藝的特征尺寸來縮小計算機(jī)尺寸，會帶來另外一些問題。首先是成本問題，集成電路生產(chǎn)線的投資很大。英特爾公司差不多在十年內(nèi)，投入了1100億美元用于工藝的研發(fā)和生產(chǎn)線建設(shè)，一條22納米的集成電路生產(chǎn)線的投資成本約100億美元，相當(dāng)于一個普通航母艦隊的投入。進(jìn)一步降低集成電路器件的尺寸，工藝研發(fā)和生產(chǎn)線投入的資金都會以指數(shù)級增長。

硅基光電子研究

計算機(jī)的發(fā)展?fàn)恳呻娐返陌l(fā)展，集成電路的發(fā)展又推動微納技術(shù)的發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)芯片自22納米繼續(xù)減小，其漏電流顯著增加，邏輯門的亞閾值擺幅也會變差，影響計算機(jī)的可靠度。研究同時還發(fā)現(xiàn)，芯片組件的互聯(lián)會導(dǎo)致芯片的能耗變大，散熱難度隨即也加大。這種功耗的增加在個人電腦上似乎顯得無關(guān)緊要，但是對于超級計算機(jī)及數(shù)據(jù)中心而言，卻是致命的問題。目前，功耗控制和散熱問題是超級計算機(jī)面臨的首要挑戰(zhàn)，現(xiàn)有的集成技術(shù)并沒有很好地解決這些難題。

我國正在著手部署研制天河三號超級計算機(jī)，運算速度將提高到10¹⁷次/秒，未來還要實現(xiàn)運算速度達(dá)10¹⁸次/秒的艾級超級計算機(jī)。以現(xiàn)有技術(shù)，建造天河三號的費用將超過2億美元，并將面臨諸如功耗、散熱等一系列技術(shù)問題和運行及維護(hù)問題。國際上公認(rèn)的艾級超級計算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)功耗必須控制在20兆瓦內(nèi)，這就要求未來的超級計算機(jī)在制造工藝上必須有革命性突破。

計算機(jī)的高功耗，是由計算機(jī)中電子傳輸信息的本質(zhì)決定的。一個新的節(jié)能發(fā)展趨勢就是將現(xiàn)有成熟的微電子與光電子技術(shù)結(jié)合。硅基微電子器件價格低廉且工藝技術(shù)成熟，而光子具有極高的傳輸速率、高抗干擾性和低功耗的優(yōu)勢。二者結(jié)合的硅基光電子器件不僅功耗能小，而且速率有保證。

目前硅基光子學(xué)的研究已經(jīng)成為國際前沿研究熱點，美國、歐盟、中國以及日本等都已經(jīng)推出相應(yīng)的研究計劃，利用硅光子學(xué)提升超級計算機(jī)、數(shù)據(jù)中心的性能已經(jīng)成為業(yè)界共識。目前，基于硅光子學(xué)的核心器件，如探測器、調(diào)制器、光交換及路由器等的研發(fā)已有較大進(jìn)展，部分器件及集成模塊已在CMOS生產(chǎn)線上實現(xiàn)量產(chǎn)。硅基光子研究開始從核心器件階段步人規(guī)模集成階段，現(xiàn)階段需要攻克的是硅基光源。預(yù)計未來5-10年，基于硅基四族材料的激光器將會讓這一瓶頸問題迎刃而解。

現(xiàn)在天河二號已完全實現(xiàn)了機(jī)柜間的光互連，下一步將考慮到片間的光互連，未來隨著技術(shù)的發(fā)展要進(jìn)一步實現(xiàn)芯片內(nèi)部的光互連。

國際上，IBM提出利用核之間的光互連方案設(shè)計新的計算機(jī)結(jié)構(gòu)。未來計算機(jī)可能采用立體結(jié)構(gòu)，下面是計算層，中間是存儲層，上面是光子層。預(yù)計到2018年，光層互連結(jié)構(gòu)中，信息傳輸?shù)乃俣瓤蛇_(dá)70太比特/秒（太比特即Terabit，1太比特=10¹²比特）。屆時，超級計算機(jī)可能只需要安裝幾百個芯片。

硅器時代

勞動工具的變革始終貫穿于人類社會的發(fā)展歷程。勞動工具的材料決定了時代特征，人類社會已經(jīng)歷了石器時代、青銅器時代、鐵器時代、蒸汽時代等多個時代。

原始社會，人類利用天然的石材、木棒等制作簡陋的工具。約在公元前4000年，青銅器開始出現(xiàn)，青銅器時代由此開始。隨著青銅器的大規(guī)模應(yīng)用，農(nóng)業(yè)和手工業(yè)的生產(chǎn)力水平大幅提高，物質(zhì)生活條件也逐漸豐富。繼青銅時代之后，以冶鐵和使用鐵器為標(biāo)志的鐵器時代出現(xiàn)。1840年的工業(yè)革命將人類帶入了蒸汽時代，這一時代重要的生產(chǎn)工具仍然是鐵制工具。

計算機(jī)是信息社會的核心，其主要部件CPU、存儲器等均為基于硅材料的集成電路，硅就像計算機(jī)的細(xì)胞。信息社會的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)已遍布空天、地面和海洋，并已實現(xiàn)全球聯(lián)網(wǎng)。這些網(wǎng)絡(luò)的主體是光纖，而光纖的主要成分也是硅。

雷達(dá)、傳感器、手機(jī)、攝像設(shè)備等都是信息社會獲取信息的“耳目”。雷達(dá)可以實現(xiàn)信息的定位，它主要依靠四象限的硅探測器探測波長為1.06微米的反射光，并根據(jù)回光特性來判定目標(biāo)的距離、大小等。攝像頭、手機(jī)終端等常見設(shè)備的核心器件是互補(bǔ)金屬一氧化物一半導(dǎo)體（CMOS）和電荷耦合器件（CCD），它們的主材料也是硅。傳感器的種類繁多，例如光纖傳感器，它能夠在人無法到達(dá)的地方（如高溫區(qū)）或者對人有害的地區(qū)（如核輻射區(qū)）獲取信息。目前，此類傳感器已廣泛應(yīng)用于橋梁、大壩、鐵路、電力系統(tǒng)、火箭推進(jìn)系統(tǒng)以及油井安全等方面的監(jiān)測。醫(yī)學(xué)上也有大量硅傳感器應(yīng)用，比如對癌細(xì)胞的檢測，可以利用硅納米材料制備的傳感器來鹼測樣本里面是否有癌細(xì)胞存在。這些傳感器的核心材料也都是硅。

硅材料還是未來社會主要的動力來源。當(dāng)前的動力主要來源仍然是石油、煤炭等，但是這些化石能源儲量有限且污染嚴(yán)重，而核能因其安全隱患無法得到廣泛應(yīng)用。為保證社會可持續(xù)發(fā)展，必須增加使用清潔能源，減少碳的排放量。太陽輻射到地球的能量高達(dá)17.3萬太瓦，每秒鐘照射到地球上的能量相當(dāng)于500萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，太陽能具有的無污染、可持續(xù)、總量大、分布廣等優(yōu)點令其成為綠色新能源中的重要一員。通過半導(dǎo)體太陽能光伏電池，太陽能可直接轉(zhuǎn)換為電能，為人所用，未來太陽能光伏電池及電站將為信息社會提供大量的清潔能源。從電池的綜合性能考慮，硅無疑是最好材料，目前以硅為基底的太陽能光伏電池已占據(jù)了半導(dǎo)體太陽能光伏電池的主導(dǎo)地位。

當(dāng)今，硅材料已滲入社會的各個環(huán)節(jié)，成為信息社會主要生產(chǎn)工具的主體，因此從這一視角看，我們現(xiàn)在所處的時代可稱為硅器時代。