2011年日本發(fā)生大地震后，能源問題乃至節(jié)電措施成為日本全社會(huì)的課題。當(dāng)然，這個(gè)問題還遠(yuǎn)沒有結(jié)束。在即將到來的冬季，甚至是明年夏季，電力供應(yīng)緊張的危機(jī)恐怕還會(huì)再次襲來。
在電子技術(shù)領(lǐng)域，2011年也是耗電問題作為最大技術(shù)課題浮出水面的一年。當(dāng)然，低耗電技術(shù)向來都是重要的技術(shù)，不止現(xiàn)在，從幾十年前起就一直如此。但最近在多個(gè)領(lǐng)域，其重要性急劇提高。只有實(shí)現(xiàn)低耗電，才能再談及其他問題。
其代表便是超級(jí)計(jì)算機(jī)。2011年6月，日本理化學(xué)研究所（以下簡稱理研）的超級(jí)計(jì)算機(jī)“京”以超過8PFLOPS（1秒內(nèi)運(yùn)算0.8億億次）的浮點(diǎn)運(yùn)算性能躍居世界首位。其實(shí)，對(duì)很多超級(jí)計(jì)算機(jī)廠商來說，達(dá)到10PFLOPS是近5～6年內(nèi)的最大目標(biāo)。隨著這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，他們又紛紛轉(zhuǎn)向了實(shí)現(xiàn) Exa(100億億次或1018）FLOPS級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)上。如果筆者沒記錯(cuò)的話，美國在2008年前后起動(dòng)了多項(xiàng)以Exa為目標(biāo)的大型項(xiàng)目，但直到2011年6月這些項(xiàng)目都處于半秘密狀態(tài)。2011年6月以后，這些項(xiàng)目迅速浮出了水面。順便提一句，這些項(xiàng)目將實(shí)現(xiàn)Exa的目標(biāo)時(shí)間定在了2017～2018年，即6～7年后。
技術(shù)開發(fā)的波及效應(yīng)還將惠及智能電話
不過，Exa級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)的技術(shù)難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以往的超級(jí)計(jì)算機(jī)。接近摩爾法則極限的制造工藝微細(xì)化、超過1000個(gè)內(nèi)核的眾核化、網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲的增大等，無論從哪一方面來看，都是前途多舛。其中，最大的課題就是耗電問題。
即使不在耗電上做特殊的技術(shù)創(chuàng)新，只要不惜重金擴(kuò)大節(jié)點(diǎn)數(shù)量，Exa超級(jí)計(jì)算機(jī)也不是沒有實(shí)現(xiàn)的可能。不過，問題在于這時(shí)每臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)的耗電量會(huì)達(dá)到1000MW（100萬kW）。也就是說，相當(dāng)于一座典型核電站的發(fā)電量。照此計(jì)算，一年的電費(fèi)就需要大約1000億日元。這一金額與理研超級(jí)計(jì)算機(jī) “京”的單臺(tái)開發(fā)總費(fèi)用基本相同，每年的電費(fèi)即使是對(duì)地震前的日本而言，也是不現(xiàn)實(shí)的。
當(dāng)然了，這在美國也不現(xiàn)實(shí)。因此，美國政府對(duì)Exa超級(jí)計(jì)算機(jī)的開發(fā)規(guī)定了條件，為單臺(tái)耗電量上設(shè)定了20MW的嚴(yán)格上限。這就意味著，要將單位耗電量下的運(yùn)算性能（節(jié)能性能）提高到50GFLOPS/W，也就是現(xiàn)有最高級(jí)別超級(jí)計(jì)算機(jī)的約25～50倍（現(xiàn)有普通微處理器產(chǎn)品的約100倍）。英特爾的開發(fā)目標(biāo)也與此一致
如果今后7年內(nèi)要使節(jié)能性能達(dá)到目前的50倍，就需要以每年約1.75倍的速度提高節(jié)能性能。雖然有望“在18月～2年內(nèi)達(dá)到2倍”，稍稍超出摩爾法則，但實(shí)際上并不是只要求在性能上勝出，還附帶有耗電量幾乎不能增加的條件?？梢哉f，這是一個(gè)比摩爾法則要嚴(yán)格得多的門檻。
由于門檻較高，因此必須開發(fā)的要素技術(shù)有很多。如果不將前面提到的眾核技術(shù)及微細(xì)化也全部囊括在內(nèi)實(shí)施整合，就無法滿足要求。另外，也許還需要導(dǎo)入光 CMOS技術(shù)等全新的技術(shù)。但即便如此，低耗電技術(shù)仍是應(yīng)用性很高的技術(shù)。在這些要素技術(shù)實(shí)用化之后，還有望為超級(jí)計(jì)算機(jī)以外的更貼近生活的領(lǐng)域帶來較大的波及效應(yīng)，比如個(gè)人電腦及智能電話也可大幅降低耗電，減少電磁噪聲，并大幅縮小尺寸。
“能源納米技術(shù)”也將亮相
在低耗電尤為重要的技術(shù)領(lǐng)域，還有一種可謂與超級(jí)計(jì)算機(jī)比拼高運(yùn)算性能的技術(shù)處于相反一極的用途，這就是“能量采集”。此類技術(shù)可通過從周圍環(huán)境中 “收獲”電波、室內(nèi)燈光、溫度差、振動(dòng)及壓力等多種能量，利用這些能量產(chǎn)生的數(shù)μW或以下的電力來驅(qū)動(dòng)無線傳感器。最近，隨著功率轉(zhuǎn)換元件技術(shù)愈發(fā)簡練，MCU及其周邊電路技術(shù)走向低耗電化，還提出了多項(xiàng)使整個(gè)無線傳感的平均耗電量降至1μW以下的技術(shù)方案。
如果傳感器以1μW的電力工作，便可在室內(nèi)照明下，將1cm見方的太陽能電池用作電源。大約10年前，1μm以下尺寸的微細(xì)加工技術(shù)被稱為“納米技術(shù)”，推動(dòng)了之后的MEMS及NEMS（Nano Electro Mechanical Systems）技術(shù)的發(fā)展。而目前的能量采集技術(shù)，其最尖端技術(shù)也可稱為“能量納米技術(shù)”，今后也有望給傳感器的發(fā)展帶來深刻影響。
從IBM及英特爾等大廠商的技術(shù)開發(fā)來看，Exa超級(jí)計(jì)算機(jī)自不必說，個(gè)人電腦及服務(wù)器也以竭力追求高性能為主流。最近英特爾還在開發(fā)利用電波能量的技術(shù)，可見，從超級(jí)計(jì)算機(jī)到能量采集元件，該公司都始終保持著對(duì)低耗電技術(shù)的敏銳嗅覺。
另外，美國德州儀器（TI）等各MCU廠商，以及富士通、村田制作所、羅姆及NTT等日本企業(yè)也很早就意識(shí)到低耗電技術(shù)今后將成為競爭的焦點(diǎn)。誰將成為競爭的勝者？又會(huì)有什么新技術(shù)及用途誕生？今后筆者將繼續(xù)追蹤采訪。