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那福忠,知名電子出版專家、網路作家。
   
  用不精確節省能源
  那福忠 March 31, 2008
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    手提電腦、PDA、iPod、手機,以及別的手持電子用具,其中晶片的運算是否準確,取決於電晶體能否準確的登錄 0 與 1,這是加諸電壓使電子流動的結果,但電子的流動產生干擾,為了克服干擾讓電晶體準確運作,就必需加大電壓,讓干擾相對降低,而能源的消耗因此增加。手提電腦僅能用幾小時,手機幾乎要天天充電,延長電池使用時間固然很好,但降低晶片的能源消耗,應是根本解決之道。

   知名的美國 Rice 大學電腦教授 Krishna Palem,就設計了耗電極低的晶片(如圖、點選放大),所用的概念,一反精準的傳統,因為降低電壓,干擾相對升高,正常的信號與干擾的對比 (Signal-to-Noise Ratio) 降低,導致電晶體有時候抓不準 0 還是 1,運算結果因而產生錯誤。但這位教授說錯誤並不是壞事,因為很多的運算並不需要十分精準,偶而在不重要的地方出點小錯,並不影響應用的品質,卻節省大量能源的消耗。

   Palem 教授率領研究團隊,計算出各電壓對運算精準度的機率,用來作晶片設計的基礎,所設計出來的晶片,有時候運算十分精準,但大部分的運算則不完全精準,教授把這個晶片稱為「機率補償金氧半導體」 (Probabilistic Complementary Metal Oxide Semiconductor),簡稱 PCMOS。這裡所謂的「運算」是電子層次,是 0 與 1 的層次,不是我們熟知的 1 加 1 等於 2 的算數,傳統的作法是百分百的確定之後,才設定 0 與 1 的數值,但 PCMOS 則是用機率來設定,不是百分百確定,機率傾向 1 則設定為 1、傾向 0 則設定成 0,這樣的設計讓運作大為簡化,所以節省能源。

   用機率來決定的數值,機率再高仍不是百分百,仍有機會出錯,把 0 設定成 1、或是把 1 設定成 0,這在應用上沒有影響嗎?Palem 教授認為那要看怎麼用了。六位小數點去掉最後一位,結果對實用沒有什麼影響。圖片、影視錯了幾個位元,人的眼力沒有那麼好,不會察覺。聲音失真,甚至說話漏了幾個字,人的適應力很強,仍能會意解讀。Palem 教授說有許多應用領域不需要精確運算,像是影像與聲音,可以把信號與干擾對比下降,所產生的錯誤在實用上沒有影響。

   PCMOS 的概念,早在 2002 年 Palem 教授就提出來了,不過當時沒人看好,直到 2006 年,教授與他的學生製作了一個播放影視的 PCMOS 晶片,在一個技術研討會上與傳統的晶片作影視播放比較,結果影視的品質,在場觀眾分辨不出兩者的差別。Palem 教授認為,在未來幾年,PCMOS 可能用在手機與手持音樂播放器上,來延長電池的時效,但十年以後,這一設計極可能成為延續穆爾定律的技術。

   Intel 公司創辦人 Gordon Moore,起初預期晶片技術每 18 個月成長一倍,後來修正為每兩年成長一倍,這樣連續成長四十年到今天,終於改變了世界,大家把兩年一倍的成長稱為穆爾定律 (Moore's Law) 。晶片技術成長一倍,指晶片內所能容納的電晶體數目增加一倍,或電晶體密度增加一倍仍維持最低價格,另外也指單位運算的功能增加一倍,無論哪一種解釋,四十年來晶片技術已經成長了 2 的 20 次方倍。

   今後是否每兩年仍加倍成長,則越來越不樂觀,因為加倍成長的關鍵之一,是把電晶體越縮越小,現在已接近物裡的極限,如果再小,工程人員就無法掌控其百分百的精準運作,而成為不確定的機率運作,結果與 PCMOS 同樣會出錯。到那時候,Palem 教授的技術就順理成章的替代傳統的設計,因為 PCMOS 晶片邏輯簡單、又節省能源,有加倍成長的空間,可以讓穆爾定律維持下去。

   在 PCMOS 晶片的實用上,Palem 教授頗為樂觀,影像與聲音的播放最耗電力,如果放在手機或筆記型電腦上,在不影響影音的品質之下,電池時間可以增加十倍以上。另外像加密、機器學習一類的運算,需要快速得到解答,在本質上就是機率運算,而非百分百的確定,PCMOS 晶片也做同樣的事,可以替代目前的軟體,增加效率與速度。Palem 教授的團隊已經著手設計加密晶片,同時也著手設計手機用的影像晶片,專做這件事的新公司,可望明年成立,商用的 PCMOS 晶片預計三、四年後上市。

   靠機率取得運算的結果,固然違反百分百的精準原則,但不影響實用效果,又維持穆爾定律的延續,Palem 教授的反向思維成就,不得不教人佩服。

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