因應(yīng)大數(shù)據(jù)時(shí)代，電腦架構(gòu)也要大改造

幾乎所有的人對(duì)沃森電腦的印象，都停留在「危險(xiǎn)邊緣」節(jié)目上看到的畫面：冷冰冰、深紫色系的電腦螢?zāi)?，豎立在另外兩位人類參賽者中間，會(huì)發(fā)出詭異的電腦語音。

完整的沃森電腦，當(dāng)然不只是電視螢?zāi)簧峡吹降哪菢?，如果有機(jī)會(huì)前往紐約參觀IBM全球研發(fā)中心位於約克城高地的實(shí)驗(yàn)室，你就會(huì)看到原汁原味的沃森電腦，不但能夠理解為什麼沃森電腦能在「危險(xiǎn)邊緣」中勝出，也會(huì)同意為什麼非得用顛覆傳統(tǒng)的方式，才能設(shè)計(jì)出新世代的認(rèn)知運(yùn)算電腦了。

沃森電腦放置在約克城高地實(shí)驗(yàn)室二樓的數(shù)據(jù)中心，由九十二臺(tái)伺服器組成，堆滿整整兩排冰箱大小的金屬框架。這兩排金屬框架之間的走道盡頭，有一道門，形同把沃森電腦所在的房間，再隔出一個(gè)小房間。走進(jìn)這個(gè)小房間，你會(huì)聽到室內(nèi)空調(diào)的風(fēng)扇跟伺服器本身的小風(fēng)扇一起嗡嗡作響，震耳欲聾，可見沃森電腦微處理器散發(fā)的熱量非常可觀。這可不是一件好消息。

固然，在「危險(xiǎn)邊緣」比賽的時(shí)候，沃森電腦微處理器運(yùn)作的速度，比世上第二快的一般電腦的運(yùn)作速度，還要再快上以數(shù)據(jù)為中心的電腦一倍;但是代價(jià)就是，沃森電腦會(huì)散發(fā)龐大的熱量、以及散熱風(fēng)扇會(huì)發(fā)出不小的噪音。這顯示了耗能問題非常嚴(yán)重：沃森電腦全速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的耗電量，高達(dá)八萬五千瓦，足以提供一座小鎮(zhèn)的照明所需;相較之下，人腦只需要消耗二十瓦的能量而已。

除非我們可以用連跳好幾個(gè)數(shù)量級(jí)的方式，來提升電腦的運(yùn)作效率，否則未來認(rèn)知運(yùn)算電腦的成本，將高到很難成為我們廣泛運(yùn)用的好幫手。IBM全球研發(fā)中心的科學(xué)家認(rèn)為，如果要在大數(shù)據(jù)時(shí)代設(shè)計(jì)出符合環(huán)境永續(xù)概念的電腦，我們一定要能設(shè)計(jì)出新型態(tài)的電腦──以數(shù)據(jù)為中心的電腦。

新電腦必須大幅減少傳輸數(shù)據(jù)的動(dòng)作

傳統(tǒng)電腦以處理器為核心，由微處理器扮演馮諾伊曼架構(gòu)里中央處理器的角色，這自然也是電腦執(zhí)行最多動(dòng)作的地方。微處理器搭載作業(yè)系統(tǒng)後，會(huì)向電腦的其他組件發(fā)出指令，像是要求記憶體、硬碟傳輸數(shù)據(jù)等。而如果是大型網(wǎng)路中的一臺(tái)電腦，則有可能需要用遠(yuǎn)端傳輸?shù)姆绞剑庞修k法取得其他電腦儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)。

新世代的電腦一定要能大幅減少傳輸數(shù)據(jù)的動(dòng)作，也就是以數(shù)據(jù)、而不是處理器做為運(yùn)作核心。按照IBM先進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)部門主管達(dá)華里(Bijan Davari)的說法，新的設(shè)計(jì)架構(gòu)將可以把許多任務(wù)畢其功於一役，不但可以增加電腦運(yùn)作的速度，大幅提升省電效果，更重要的是促成充分利用大數(shù)據(jù)的可能性。

電腦的運(yùn)算能力自從1970年代，工程師開始在單晶片里塞進(jìn)愈來愈多的電晶體後，獲得了迅速提升，專業(yè)術(shù)語叫做堆棧(scaling)，意指在相同面積上堆放更多資源的能力，好比說是更緊密的電路布局、或是更多的記憶容量。而在單晶片完成更多堆棧的過程，就叫做微縮(scaling down)。

不論是企業(yè)界或是政府單位的電腦，經(jīng)過多年使用之後，都需要更優(yōu)秀的運(yùn)算能力，因此電腦業(yè)者開始推出伺服器，專門處理大量、復(fù)雜的工作，主要的做法有兩種，其中一種是在一臺(tái)伺服器內(nèi)，裝上運(yùn)算能力更強(qiáng)的零組件與其他資源，通稱為升級(jí)(scaling up)，IBM的大型主機(jī)即采取這種做法;另一種做法是擴(kuò)充(scaling out)，是把多臺(tái)伺服器串連、視同一臺(tái)大型伺服器般使用，這也是超級(jí)電腦跟Google數(shù)據(jù)中心伺服器大軍的做法。

IBM的科學(xué)家相信，未來以數(shù)據(jù)為中心的電腦將具備一種基本特徵：電腦工程師會(huì)設(shè)法把記憶體跟邏輯線路，整合在一以數(shù)據(jù)為中心的電腦顆緊致的立體晶片中，采用斂合(scaling in)的新堆棧方法。

新玩意：混合記憶體模塊

現(xiàn)今的記憶體只是把一層矽晶跟數(shù)不清的數(shù)據(jù)存取線路，整合成一顆電子元件，主要做為數(shù)據(jù)暫存區(qū)之用，并依照微處理器的需求傳輸數(shù)據(jù)。

記憶體在電腦內(nèi)占有一定空間，數(shù)據(jù)傳送也是個(gè)負(fù)擔(dān)沉重的工作;如果把記憶體晶片像一層層烤餅堆疊在一起呢?那不但可以大幅縮減體積，同時(shí)也能減少數(shù)據(jù)傳送的負(fù)擔(dān)。這種新概念的產(chǎn)物，就是IBM與其他電腦大廠正在研發(fā)的混合記憶體模塊(hybrid memory cube)。

混合記憶體模塊是個(gè)奇特的小玩意兒，可以在一個(gè)立方體內(nèi)把好幾層記憶體堆疊在一起，在垂直貫穿模塊的一個(gè)小通道內(nèi)配置線路，用銅線把所有物件串連在一起，讓最底層的邏輯線路可以直接連結(jié)到其他各層的記憶體，只把萃取過的減量數(shù)據(jù)傳送給微處理器統(tǒng)合使用。這種新設(shè)計(jì)可以縮減現(xiàn)有記憶體百分之九十的體積，減少百分之七十的耗能。

未來，記憶體模塊渴望再內(nèi)建微處理器，逐步走向記憶體與處理器合而為一的境地，打破馮諾伊曼瓶頸的限制。

這項(xiàng)新科技會(huì)對(duì)未來的電腦帶來重大影響，譬如用於原油探鉆、汽車撞擊測(cè)試的大型超級(jí)電腦，體積會(huì)變得更小、更省電，下一代使用混合記憶體模塊的伺服器數(shù)據(jù)中心，也不再需要在龐大的室內(nèi)空間耗掉可觀的散熱電力。這項(xiàng)技術(shù)繼續(xù)發(fā)展的話，未來即便是智慧型手機(jī)、平板電腦、或是其他行動(dòng)裝置，也都可以將運(yùn)算能力提升到一個(gè)難以想像的境界。

新概念：微處理器分散架構(gòu)

以數(shù)據(jù)為中心的電腦具備的第二種基本特徵是：電腦內(nèi)部的分散式配置方式。

今日的電腦，有微處理器擔(dān)任神經(jīng)中樞的角色，負(fù)責(zé)處理所有或大部分的運(yùn)算工作，因此運(yùn)算時(shí)派得上用場的數(shù)據(jù)，都要在原本存放的位置與微處理器之間不斷往返傳遞，用跑馬拉松來形容也不為過。未來以數(shù)據(jù)為中心的電腦，會(huì)把微處理器分散在系統(tǒng)的不同位置，大大降低數(shù)據(jù)搬動(dòng)的必要性。

微處理器分散架構(gòu)的概念，已經(jīng)在某些專門用於分析龐大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)的特用電腦上進(jìn)行測(cè)試。紐約州立大學(xué)水牛城分校神經(jīng)科學(xué)教授拉曼納森，即參與了其中某一項(xiàng)測(cè)試計(jì)畫。

多發(fā)性硬化癥會(huì)讓人痛苦異常，患者的免疫系統(tǒng)會(huì)主動(dòng)攻擊自身的大腦與脊髓，導(dǎo)致病患失去行動(dòng)能力，并造成認(rèn)知失調(diào)問題。這種疾病多半會(huì)在年輕成年人的身上發(fā)病，目前病因成謎，也無法醫(yī)治。拉曼納森的研究主題，是找出基因和環(huán)境因素與多發(fā)性硬化癥的相關(guān)性，進(jìn)而找到醫(yī)治的方法，或是起碼找到能夠預(yù)先防治的方法。拉曼納森研究工作最大的挑戰(zhàn)，在於人類基因可能導(dǎo)致多發(fā)性硬化癥的組合方式實(shí)在太多了，如果再加上飲食作息、抽菸喝酒等環(huán)境因素的影響，則多發(fā)性硬化癥潛在病因的可能組合，將呈現(xiàn)指數(shù)般的爆炸性成長。

換句話說，拉曼納森的研究重點(diǎn)在於克服龐大數(shù)據(jù)帶來的技術(shù)障礙，而傳統(tǒng)超級(jí)電腦欠缺大量平行運(yùn)算的能力，因此也沒辦法有效處理拉曼納森所面對(duì)的問題──亦即所謂數(shù)據(jù)密集(data-intensive)的問題。拉曼納森需要一臺(tái)可以把研究主題切割成許多分段、送交好幾千顆微處理器進(jìn)行平行運(yùn)算後，再從平行運(yùn)算的結(jié)果推導(dǎo)出最後答案的電腦。如果要有效解決拉曼納森面臨的難題，勢(shì)必要采用平行運(yùn)算搭配以數(shù)據(jù)為中心的微處理器架構(gòu)。

於是，拉曼納森的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)一臺(tái)專門用於數(shù)據(jù)密集分析的電腦，這臺(tái)冰箱大小的專用電腦采用特制的微處理器「現(xiàn)場可程式閘陣列」(field programmable gate array, FPGA)，在數(shù)據(jù)儲(chǔ)存區(qū)先行過濾數(shù)據(jù)，之後再把有用的部分傳給中央處理器，進(jìn)行後續(xù)的數(shù)據(jù)分析。這套微處理器可以程式化設(shè)定需要搜尋的數(shù)據(jù)，因此可以有效過濾高達(dá)九成的數(shù)據(jù)量，讓中央處理器僅針對(duì)篩選過的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析即可，不用照單全收;就形式上而言，如同傳統(tǒng)電腦只在記憶體進(jìn)行存取，省去讀取硬碟的步驟。如此一來，這臺(tái)專用電腦可以減少數(shù)據(jù)搬動(dòng)，連帶達(dá)到省電效果，并提升電腦中樞的運(yùn)算速度與效率。

接下來，我們用拉曼納森研究數(shù)據(jù)分析團(tuán)隊(duì)實(shí)際取得的績效，說明這臺(tái)新電腦的效率高到什麼程度。研究團(tuán)隊(duì)完成安裝後不久，把十萬種基因組合與包含各種環(huán)境因素在內(nèi)的數(shù)據(jù)，統(tǒng)統(tǒng)輸入電腦進(jìn)行運(yùn)算──相當(dāng)於有五十億種「雙變數(shù)」的組合、或是一百兆種「三變數(shù)」的組合需要進(jìn)行推算。

結(jié)果，新電腦只花了十一分鐘，就把傳統(tǒng)電腦需要花二十七小時(shí)計(jì)算的答案，給算出來了。坐在紐約州立大學(xué)辦公桌前的拉曼納森，收到一封運(yùn)算結(jié)果摘要報(bào)告的電子郵件，他說：「這個(gè)結(jié)果讓我感到興奮莫名，有如在眼前開啟了一扇機(jī)會(huì)之窗。我們，終於有機(jī)會(huì)解決以往難以處理的問題了?！?/span>