示憐云

克里希納·帕萊姆是美國萊斯大學(xué)的計算機科學(xué)家，但他制造的計算機連加法都算不好。對于它們來說，2+2可能等于5。

但別以為它們很蠢，這種算得不太準(zhǔn)的計算機，可能是解決智能便攜設(shè)備費電問題的最佳辦法。它們還能進行更加復(fù)雜的模擬，可更好地預(yù)測氣候變化，幫助我們更高效地設(shè)計汽車和飛機，揭示行星形成的秘密。這種計算機可能會揭示人腦的秘密，甚至實現(xiàn)對人腦的模擬。

性能vs能效

直到現(xiàn)在，我們不得不接受性能和能效之間不可調(diào)和的矛盾：計算機要么運行得更快，要么以低功率運行，但不能兩者兼得。這意味著更強大的智能手機需要更大容量的電池，還意味著超級計算機會超級費電。所以，如何讓計算機以較少的電量做更多的事，是擺在研究人員面前的一個大問題。

方法之一就是減少執(zhí)行代碼的時間——時間用得越少，越省電。對于程序員來說，這意味著要找到更快得到預(yù)期結(jié)果的辦法。舉一個經(jīng)典問題：旅行推銷員前往多個城市做推銷時如何選擇最佳的路線。這個問題通常很難解決，因為隨著城市數(shù)量的增加，那么可能的路途數(shù)量就會以指數(shù)形式增長。程序員通常滿足于尋找一個估計會有最佳路徑一半好的路線，這樣既不會消耗太多的計算時間，也可得到一個不錯的結(jié)果。

但使用“偷工減料”的軟件只能節(jié)省部分的電量。要想真正節(jié)省電量，還得需要改變硬件的工作方式。

犧牲準(zhǔn)確性

通常，芯片里的晶體管借助硅通道來實現(xiàn)從開（1）和關(guān)（0）兩個狀態(tài)之間的切換，如果通道被關(guān)上（0），電流就無法通過；如果施加一個電壓，通道就會被打開（1），就像大壩開閘放水一樣，能讓電流通過。

在互補式金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）芯片設(shè)計工藝中，只有你給它提供5伏穩(wěn)定的電壓時，通道才能正常地進行切換。如果減低電壓，通道會變得不穩(wěn)定——有時會切換，有時不會。

也就是說，計算機芯片里的晶體管如果不在全額功率下運作，計算就會不準(zhǔn)確，但卻可以大幅度減少功耗。但如果不準(zhǔn)確程度處在一個可接受的范圍內(nèi)，那么以這種犧牲換來節(jié)能是值得的。而帕萊姆的團隊就是使用這種思路，來解決計算機性能和能效之間的矛盾。

帕萊姆的團隊做出了基于CMOS技術(shù)的故意不穩(wěn)定的版本。他們設(shè)計了全新的數(shù)字電路，里面需要產(chǎn)生準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的地方，則提供穩(wěn)定的5伏電壓，但其他不需要太準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的地方，只提供1伏電壓。他們發(fā)現(xiàn)，有一半多的地方都可使用1伏電壓。

這樣，帕萊姆版本的加法器——一種常見的邏輯電路，僅僅是把兩個數(shù)字相加——也不能得到準(zhǔn)確的結(jié)果。帕萊姆說：“當(dāng)它相加兩個數(shù)時，它給出的答案雖然不夠準(zhǔn)確，但這會減少很多能源消耗?！?/p>

應(yīng)用到數(shù)十億個晶體管上，你將會省很多的電。這種技術(shù)可以用到不需要準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的地方。例如，用大量數(shù)值來代表像素顏色。在一個實驗中，他們研發(fā)了一種數(shù)字視頻解碼器，使用的是不太準(zhǔn)確數(shù)據(jù)來代表顯示到屏幕上的像素顏色。他們發(fā)現(xiàn)人單憑肉眼很難注意到圖像質(zhì)量有損失。

受到此成功的鼓勵，他們又對音頻應(yīng)用進行了測試。他們得到的初步結(jié)果表明，用不準(zhǔn)確數(shù)據(jù)處理，可減少一半的功耗，同時語音清晰度只減少了5%。他們認為，這種技術(shù)可以大幅度減少智能手機和個人電腦的功耗，畢竟這些設(shè)備基本上就是一個視聽設(shè)備。

降低位數(shù)

基于帕萊姆的想法，英國牛津大學(xué)的物理學(xué)家蒂姆·帕爾默想到這也許能解決目前一個棘手的問題：在不需等待下一代超級計算機到來之前，如何提高氣候預(yù)測的準(zhǔn)確性。

氣候的變化關(guān)鍵在于云的作用。你無法自信地預(yù)測它們會對全球氣候有什么影響，除非你可以直接對云進行模擬。但現(xiàn)在還不清楚如何對其進行模擬。

今天的超級計算機沒有實力進行這樣的氣候模擬，未來更強大的繼任者又得消耗太多的能量。根據(jù)當(dāng)前的技術(shù)，能對云進行模擬的機器，功耗可能大約為100兆瓦，是今天最強大超級計算機功耗的5到10倍，大致相當(dāng)于一個小型發(fā)電站的總輸出功率。

超級計算機之所以會消耗如此多的能量，是因為它們通常是為64位數(shù)據(jù)而優(yōu)化的。數(shù)據(jù)使用64位，就可利用更多的內(nèi)存，處理更龐大的信息，但功耗就越大。使用32位或16位，處理的數(shù)據(jù)量就會降低，結(jié)果不太準(zhǔn)確，但功耗也會降低。而氣候模擬涉及到數(shù)以百萬計的變量，例如風(fēng)、對流、溫度、空氣壓力、海洋溫度和鹽度，這些變量的重要程度都不盡相同，都使用64位很浪費電量。因此，我們需要根據(jù)對模擬的重要性，用可變位數(shù)的數(shù)據(jù)來表示不同的變量。

芯片制造商已經(jīng)開始適應(yīng)這種需求了。最近，美國著名的芯片制造商英偉達公司就推出了圖形處理器TX1，能夠具有“混合精度”處理能力，允許一些軟件在16位和32位工作模式之間進行切換。現(xiàn)在，帕爾默和他的同事正與IBM等超級計算機制造商探討研發(fā)新一代省電的機器，可以允許計算機使用可變位數(shù)的數(shù)據(jù)。

其回報可能是巨大的。目前氣候模擬是把地球的大氣層分割一個個底面積為100平方千米、高為1千米的區(qū)域。帕爾默認為，不準(zhǔn)確的計算機可把這個區(qū)域縮為邊長1千米的立方體，這足夠模擬云的大致細節(jié)。

帕爾默說：“做出20個不太準(zhǔn)確的計算，比做出10個準(zhǔn)確計算更有用?！彪m然計算的準(zhǔn)確度降低了，但是因為使用了更加細致的模擬，最終在總體上會得到更大的準(zhǔn)確度。

準(zhǔn)確的程度

當(dāng)然你不能完全放棄準(zhǔn)確性。毫無疑問，如果所有的氣候模擬變量都用16位而不是64位數(shù)據(jù)來表示，將是一場災(zāi)難。哪些數(shù)據(jù)可減少位數(shù)是研究中的一個挑戰(zhàn)。現(xiàn)在，主要的辦法是，在程序代碼中設(shè)定準(zhǔn)確性的閾值，這樣程序員就可以控制哪些錯誤是可以接受的，哪些則不行。

不準(zhǔn)確計算雖然不適合所有的領(lǐng)域，但仍然有著廣闊的應(yīng)用范圍。例如在事故調(diào)查之中，不準(zhǔn)確計算將允許同一時間內(nèi)進行大量場景的模擬，可迅速找出事故的原因。

一些學(xué)者甚至認為不準(zhǔn)確計算可能最終幫助我們理解大腦是如何運作的。當(dāng)前最強大的超級計算機與人腦的計算水平差不多，然而超級計算機需要消耗兆瓦級的電量，而人腦運行時能耗大致相當(dāng)20瓦燈泡。這個巨大的差距來自哪里呢？

帕爾默正與英國蘇塞克斯大學(xué)的研究人員合作，探究大腦中隨機的電波動是否就是某種程度上的不準(zhǔn)確計算。事實上，大腦可能就是不準(zhǔn)確計算的完美例子——消耗很少的能量，卻具有強大的計算能力。

總之，想讓電腦更好，先使它們計算不準(zhǔn)確，變得更糟。也許，不準(zhǔn)確計算將會是未來更強大的計算機的基礎(chǔ)。