記憶運算 學人腦思考(1/2)
撰文／Massimiliano Di Ventra & Yuriy V. Pershin｜譯者／甘錫安
轉載自《科學人》2015年4月第158期
我們撰寫這篇文章時，用的是目前最先進的電腦，但這類電腦相當浪費能源，而且執行複雜科學運算時速度緩慢。現在市面上的各種電腦，不論是你手上的智慧型手機還是全世界最先進機構中價值數百萬美元的超級電腦，都有同樣的問題。
我們和許多讀者一樣，使用Word這套軟體撰稿。要打出「我們撰寫這篇文章時」這句話，電腦必須從記憶體取出一連串的0和1（Word文件的代碼），經由線路搬移到另一個實體位置，也就是中央處理器（CPU）。CPU把代碼轉換成我們在螢幕上看到的文字，但關閉電源時這些字句會立刻消失，因此必須透過線路把代表字句的資料儲存到硬碟等比較穩定的記憶體。
由於目前電腦的記憶體無法運算資料，CPU也不能儲存資料，導致程序如此繁複。即使是全世界運算速度最快、使用多個CPU執行所謂「平行處理」的超級電腦，同樣採行這種標準分工方式，但問題是這類CPU的效能仍然因為這個限制而受到影響。
科學家一直在研發新技術，試圖把兩種難以並存的過程結合，也就是創造能執行運算並儲存資料的電路。要達成這個目標，必須以憶阻器（memristor）、憶容器（memcapacitor）和憶感器（meminductor）等電子元件取代目前電腦的電晶體、電容器和電感器，這類元件現今仍在實驗階段，但很快就能構成新的「記憶電腦」（memcomputer）。
記憶電腦具備雙重能力，每個元件都能以效率更高的新型平行運算方式來計算問題的答案，可望達到前所未有的高速運算。由於此電腦的記憶體運算了困難的問題，而且直接儲存在其中，所以可省下目前電腦中來回搬移資料而消耗的電能。這種嶄新的運算架構將改變各種電腦的運作方式，從智慧型手機的微型晶片到龐大的超級電腦。事實上，這種設計相當接近人類大腦的運作方式，在同一個神經元內儲存記憶並處理資訊。
記憶電腦的運算速度應該會快上許多，只需數秒鐘就能算出目前電腦花費數十年才能完成的計算，而且體積更小、用電量也更少。完整的記憶電腦目前尚未問世，但我們以這類元件進行的實驗結果顯示，這種電腦將對電腦設計、全球永續發展、電力消耗和人類解答重大科學問題的能力，產生極大影響。
靈感來自神經元
在電腦中搬移Word文句這類資料，只需不到一秒鐘和少許電能。但如果把來回搬移這些資料的電能乘以全世界的電腦數量，就會發現消耗的電能十分可觀。
2011~2012年之間，全球的電腦資料中心其電力需求大幅增長58%。其實不只超級電腦，現在連烤箱、筆記型電腦到電視機，每個家庭的各種電子產品都具備運算能力。現今資訊與通訊領域佔全球用電量的15%，到2030年，全球消費性電子產品的用電量將等於目前美國和日本的住宅用電量總和，每年電費高達2000億美元；這麼大的用電量相當不環保。
我們無法不斷縮小電晶體來解決這個問題。國際半導體技術藍圖（International Technology Roadmap for Semiconductors）預測，電晶體產業在2016年將會遭遇技術瓶頸，原因是現有的元件材料無法繼續縮小體積並維持運算能力。
某些迫切問題的科學研究工作也遭遇瓶頸。有些重要問題必須借助大量運算才能解決，因此用電量也越來越大，例如全球天氣型態預報，或透過研究大型基因組資料庫評估不同族群的疾病發生率。記憶電腦不需要在CPU和記憶體之間不斷搬移資料，少了這個成本高昂、耗電又費時的過程，應該可省下大量電能。
當然，這種電腦不是第一款能執行運算並儲存資料的資訊處理裝置，人類大腦就是如此，記憶電腦的構想靈感正是來自這個運算速度極快、效率又高的器官。
不少科學家估計，人類大腦平均每秒可運算1016次，消耗的能量僅10~25瓦特，超級電腦執行相同運算所消耗的電能卻高達1000萬倍。此外，電腦難以執行圖形辨識等複雜作業，而人類在吵雜和紛亂的環境中不擅於分辨狗吠聲和街上的車聲。超級電腦執行運算和儲存記憶的位置不同，大腦則是在神經元和突觸中執行運算，涉及的處理程序較不繁複，代表搬移資料時消耗的能量和時間隨之減少。電腦依序執行運算時比人類快，但必須憑藉大量的電晶體運作。
在運算過程中，電腦通常依靠分工來防止程式和資料互相干擾。例如，我們在Word中輸入文字時，電路的實體變化產生了新的資料，可能會改變並損害程式或資料。如果CPU的電子元件能「記住」最近執行的程序（即便在電源關閉時也行），就可避免發生這種狀況，確保資料完好無缺。
新型元件終於登場
記憶運算元件正是如此：除了能運算資料，即便電源關閉時也可儲存資料。憶阻器是這類新裝置之一，要了解憶阻器，可以假想成能隨著水流方向改變管徑的水管。水由右向左流時，水管管徑會變大，讓更多水通過。水由左向右流時，水管會變小，通過的水量也隨之減少。關閉水源後，水管會保持最後水流通過時的管徑，也就是能記憶通過的水量。
現在以電流取代水流，並以憶阻器取代水管。如同水管能改變管徑，憶阻器也能隨著通過的電流量改變電阻，管徑較大的水管電阻較小，管徑較小的水管電阻較大。如果把電阻當成數值，電阻的變化視為計算過程，憶阻器就是能運算資料、又能在斷電時儲存資料的電子元件；憶阻器可兼具CPU和記憶體的工作集於一身。
美國加州大學柏克萊分校的電子工程師蔡少棠（Leon O. Chua）於1970年代首先提出憶阻器的概念，當時他的理論看來並不實際，因為那時用來製作電路的材料不如上述假想的水管般能記住最終的狀態。不過幾十年來，工程師和材料科學家研發出越來越多新的電子材料，使材料具備新性質。2008年，惠普公司的工程師威廉斯（Stanley Williams）等人製作出新的記憶體元件，能改變電阻並保持改變時的狀態。他們用二氧化鈦做成直徑僅數十奈米的電子元件，發表在《自然》的論文中指出，這種元件可保持特定狀態，此狀態取決於通過電流的變化歷程。上述假想的水管如今果然實現了。
我們可使用多種材料製造這類裝置，直徑最小可達數奈米。尺寸越小，表示在一定面積內能容納的元件數目就越多，因此幾乎可裝入任何產品內。目前用來製造電腦元件的半導體設備，可製作出多數這類元件，因此能大量製造。
另一項重要的記憶運算元件是憶容器。一般電容器能儲存電荷，但無論儲存了多少電荷，都不會改變狀態，也就是電容量。在目前的電腦中，電容器大多用於製造動態隨機存取記憶體（DRAM），這種記憶體的用途是可隨時儲存電腦程式，並在CPU呼叫程式時能快速提供。不過憶容器不僅能儲存電荷，也能依據施加的電壓改變電容量，因此具備記憶和運算雙重功能。此外，憶容器能儲存電荷（電能），可在運算時回收電能，有助於降低整部電腦消耗的能源。（相反地，憶阻器則會消耗所有輸入的電能。）
市面上已有一些憶容器，是以較昂貴的鐵電材料製成，用於資料儲存裝置中。不過實驗室正在研發以矽製成的憶容器，矽較便宜可降低製造成本，使整部電腦都能使用憶容器。
第三種記憶運算元件是憶感器。憶感器有兩個端子（terminal），如憶容器般可儲存電能，也像憶阻器般可讓電流通過。現在科學家已經製作出憶感器，但是因為必須具備龐大的線圈，所以很難用於小型電腦。不過隨著材料科學的進展，現況也會改變，就像幾年前的憶阻器一樣。(待續)
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