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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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機器大夢

撰文/西門奈 (Tom Simonite) 譯/施祖琪

本刊取得美國麻省理工學院Technology Review期刊圖文授權
本刊取得美國麻省理工學院Technology Review期刊圖文授權

惠普公司位於加州矽谷中心帕羅奧圖(Palo Alto)市的企業總部裡,有個神聖的殿堂。在惠普研發大樓側邊兩個互通的房間裡,上世紀中期的老舊家具,悉數被細心保存了下來。就是在這裡,創辦人惠烈(William R. Hewlett)和普卡德(David Packard)曾帶領著工程師發明出許多突破性的產品,其中包括1968年問世、打字機大小的可編程計算器。

今日,智慧型手機和雲端運算蔚為風行,惠普的核心產品也已備顯老態。近幾年的營收和獲利大幅下滑,個人電腦和筆記型電腦產品對利潤的貢獻不到五分之一,惠普只能靠著伺服器、印表機和墨水的業務苦撐。但是,隨著愈來愈多企業改用雲端服務,伺服器的市場需求顯著下滑,而且企業和消費者對印表機的需求也遠低於以往。

2012年至今,惠普已資遣超過四萬名員工,並計畫在今年把公司一分為二:經營印表機和個人電腦業務的HP Inc.,以及鎖定企業級伺服器和資訊服務的HP Enterprise。

儘管前方可能是場救亡圖存的苦戰,HP Enterprise毅然展開一項高風險的研究計畫。在這個專案上,惠普投入了研發部門近四分之三的人力,專案目標是要打造出新品種的電腦――「機器」(The Machine)。若成功,他們將催生出設計更簡單、功能卻更強大的電腦,徹底改變電腦運作的方式。此外,從伺服器到智慧型手機的每一種設備亦將全面升級,讓惠普得以存活下來。

惠普科技長兼研究計畫發起人芬克(Martin Fink)說,「機器」擁有堅強的運算能力,可以處理比今日企業資料集規模大上好幾倍、更複雜的資料,且資料分析的速度也將加快數百倍,而可望在倚重資訊分析的領域促成跳躍式突破,例如:讓基因體醫學(genomic medicine)研究人員迅速解析基因排序的資料,另外,「機器」還會比現在的電腦更省電,幫網路服務資料中心省下大筆的電費。惠普還希望把新的運算模式應用在較為小型的設備上,以拉長筆電和手機的電池續航力。

重新改造電腦的想法已經夠令人訝異的,更何況還是惠普想這麼做。10年前,惠普已將研發部門縮編,近年投入的研發經費也遠低於競爭對手――2014年,惠普的研發總額為34億美元,IBM則為54億美元。芬克的機器大夢若真要成真,惠普的工程師便得設計出指尖大小的電腦晶片、重新發明作業系統,並打造出新的儲存設備。

這不僅是電腦再造,更是企業再造的大工程。

全新藍圖

2010年時,眼見客戶紛紛投向快閃記憶體的懷抱,而惠普仍死守著傳統硬碟的舊江山,芬克焦急地找尋新的記憶體,希望在改變資料儲存技術之外,更要改造世人所知的電腦。他知道業界有人已開始研發比快閃記憶體更快的新記憶體技術,便與惠普的科技顧問著手描繪新科技藍圖。

那個藍圖被束之高閣了一段時間,直到二年後,當芬克接任科技長和研發部主管後,他動了重啟計畫的念頭。「我看著實驗室裡正在進行的計畫,知道我們可以把藍圖一點一點拼湊起來,」他說。其中最關鍵的一片拼圖是憶阻器(memristor)技術。雖然憶阻器仍處於開發階段,但芬克對其儲存密度及速度寄予厚望,於是他調整了之前的建議藍圖,並為這未來電腦取了個新名字:「機器」。

「機器」代表著惠普改造自1970年代以來電腦核心設計的野心,現在的電腦得頻繁地從保存資訊的不同硬體上來回搬運資料,其中之一是儲存硬體,包括硬碟(HDD)或快閃記憶體晶片。但相較於電腦處理器的運作速度,硬碟和快閃晶片讀寫資料的速度簡直是牛步。在電腦進行任務期間,資料必須先寫入短期記憶體,短期記憶體採用DRAM技術,速度很快,但無法密集儲存資料,關機後資料也會消失。

這個兩層級的儲存和記憶體系統導致電腦得花很多時間和電力挪動資料,這也是筆電無法一秒開機的原因,因為電腦得先從儲存硬碟找到作業系統,再載入記憶體內。另外,手機就算只放在口袋裡不用,還是得供電給DRAM才能保留資料,也是同樣的道理。

這對你來說也許只是小小不便,但對得靠電腦執行龐大計算工作的人而言,卻是成本高昂的麻煩事。惠普估計,一般來說,資料分析軟體都得分出三分之一的程式碼,專門負責在儲存硬碟和記憶體之間挪動資料,這不但影響運算效能,還會耗用大量的能源。

「機器」的設計就是為了要打破儲存和記憶體間的分野,以憶阻器技術開發的記憶體將可同時保留資料並供處理器使用資料。加州大學柏克萊分校的金劉(Tsu-Jae King Liu)教授說,把記憶體和儲存結合的想法早就有了,但目前為止尚未出現速度夠快而可實務應用的非揮發性記憶體技術。金劉教授是新創公司Crossbar的顧問,該公司是目前研發電阻式記憶體(RRAM)技術的公司之一,他們的目標都是要以RRAM取代現有電腦中的快閃記憶體。

不過,惠普卻是唯一一家宣稱其技術足以徹底顛覆電腦設計的廠商。

「機器」若真要落實芬克的藍圖,惠普必須製造出憶阻器記憶體的晶片,以及開發出可使用單一超大記憶體空間的新電腦作業系統。此外,「機器」還得打破一般電腦設計的傳統,做到兩件事:第一、透過光纖傳送光脈衝(light pulse),在處理器和記憶體間挪動資料。第二、採用專用的省電晶片組,而不是一個個的通用型處理器。包括Intel在內的晶片業者已推出省電處理器,市面上很容易買到,但其他的全都得靠惠普自己來。

研發團隊的正職

「機器」系統軟體開發總監費德區(Rich Friedrich)指出,全球已經好幾十年不曾出現全新的電腦作業系統了,過去40年間,每個「新」作業系統其實都是對舊系統的改造,或依舊系統重新調整設計的結果。

費德區和他的團隊肩負著重責大任,他們開發出的軟體必須把「機器」各個不尋常的元件集結成一個可靠的系統,另外還得迎合許多公司和程式設計師的喜好,因此,惠普正在同時開發兩套新作業系統。第一種是將於今年夏天推出的「Linux++」,這是基於Linux系統研發的作業系統,雖然無法把「機器」的效能發揮得淋漓盡致,但由於相容於多數現有的Linux軟體,所以程式設計師會比較容易上手。第二種是至少兩年後才推出的開源(open source)系統「Carbon」,則將打破儲存和記憶體的隔閡,從根本上完全釋放運算的極致效能。費德區說,從頭打造全新的作業系統,才能徹底解決因不斷更新系統而導致的疊床架屋問題,以降低電腦當機率和減少安全弱點。

以最接近「機器」未來樣貌的高效能伺服器叢集進行模擬運算的測試,我們可一窺Carbon和這未來電腦的巨大潛能。在其中一個試驗中,模擬的「機器」和一臺傳統電腦比賽分析一張照片,並比對另外8,000萬張照片,從中找出最相像的5張。後者花了2秒鐘,前者則只花了0.05秒。

隨著大型資料集的運算需求增加,運算速度若可加快幾十倍或幾百倍――而且還不必耗用更多能源,潛在的效益將難以估計。以基因體排序的任務為例,現在一臺高效能電腦得花數小時的時間解析原始資料,才能跑出完整的排序結果。假使「機器」能把作業時間縮短為幾分鐘,基因體研究就有可能有更大的進展,而基因體排序或許也可更廣泛運用於醫療診斷上。惠普資料分析研究主管辛禾(Sharad Singhal)特別看好「機器」在解析數學圖形這類資料集上的超強效能。數學圖形的各個實體自有其連結的網絡,而不是工整的行與列結構,類似的例子包括臉書上的人際連結,或是飛行航線上人、班機和行李的移動路線,「機器」誕生後,可能會催生出許多令人意想不到的應用。辛禾說:「本來看似不切實際的技術都將在瞬間變得實用可靠,這個新電腦技術的潛在應用也將遠遠超過我們現在的想像。」

惠普若真要發揮「機器」的莫大潛能,憶阻器的技術勢必得臻於完善,目前,憶阻器的研發工作都是在一個小小的實驗室內進行,樓上就是兩位創辦人以前的辦公室。10年前,就是在同一個實驗室裡,威廉斯(Stanley Williams)取得重大的技術突破。

威廉斯於1995年加入惠普,當時普卡德認為,惠普應該把更多重心放在基礎研究上,於是找來威廉斯研究以有機分子做出體積更小、成本更低的矽電晶體替代方案。幾年後,他已可在一對白金電極間摻入名為「單有機電雙穩材料」(rotaxane)的有機分子,而設計出具適當切換行為的元件,但令人洩氣的是,它們的效能非常不穩定。又過了幾年,威廉斯才發現那些分子根本無關緊要,切換的效應其實來自把「單有機電雙穩材料」黏著在電極上的那一層鈦。更讓人訝異的是,以鈦打造的設備竟會讓一個多年前的預言成真:1971年時,加州大學柏克萊分校的蔡少棠(Leon Chua)教授預言,除了傳統上認定的電子電路的三個基本元素――電阻器、電容器與感應器以外,應該還會出現第四種元素,就是「憶阻器」。事實上,憶阻器(memristor)一詞便是蔡少棠取的,意思是帶有記憶體(memory)的電阻器(resistor)。憶阻器最大的特性是其電阻值(測量阻擋電子流動多少的標準)會隨著電壓改變而變動,而這樣的阻力可用在資料編碼上。

惠普最近一次所展示的憶阻器設計很簡單:不過是夾在兩個電極間、一疊寬度幾奈米的二氧化鈦薄膜罷了。在那一疊薄膜中,有幾層會導電,有幾層則因為缺乏氧原子而絕緣,故形成高電阻。若適當提高電壓,也可把氧原子從導電層推向絕緣層,讓電流更容易通過。為了示範運作的原理,該團隊的科學家斯特拉坎(Jean Paul Strachan)用滑鼠在電腦螢幕上點了標註阿拉伯數字1的按鍵,一長串氧原子便短暫地流進旁邊矽晶圓上憶阻器裡的一層二氧化鈦內。斯特拉坎說:「這麼做能搭起一道可讓電子通過的橋。」他螢幕上的數字顯示,該裝置的電阻已下降了1,000倍。接著,他又在螢幕上點按鍵0,氧原子回到原位,電阻也返回高點。像這樣開關電阻的動作可以在短短幾微微秒(picosecond)之內完成,不僅比DRAM基本單元的速度快上1,000倍,還只需要一小部分的電力,更關鍵的是,就算關閉電壓,電阻值仍然保持不變。

威廉斯於2008年宣布發現憶阻器元件,他說,從那以後的進展高潮迭起,因為本來只是一項基礎研究的發現,卻迅速成為惠普最重視的研發專案。自2008年以來,憶阻器的研發工作便成了威廉斯和他團隊的「正職」」。2010年,惠普宣布已與南韓記憶體晶片製造商SK海力士半導體公司(SK Hynix)達成共同推動憶阻器商業化的協議。在此同時,惠普也開始研發能以憶阻器取代傳統電腦內快閃記憶體的方法。2012年時,芬克把憶阻器加入「機器」的發展藍圖中,進一步加碼對憶阻器的投資。

高風險賭注

無論憶阻器將成為快閃記憶體的替代方案,或是促成「機器」夢成真,惠普都得先把憶阻器封裝成可將密集元件陣列及傳統矽控制電路結合起來的記憶體晶片。然而,這樣的晶片還在只聞樓梯響的階段,而且無人敢保證惠普能否取得這樣的技術。惠普全都得仰仗如SK海力士等半導體製造商來開發出效能穩定的憶阻器晶片,不過到目前為止,海力士所生產的憶阻器晶片僅能用於單獨測試,還無法嵌入電腦中使用。

芬克和威廉斯表示,第一個憶阻器記憶體晶片的原型大概會在明年出爐(儘管威廉斯稍早的言論似乎暗指了憶阻器記憶體晶片將於2013年上市,但他和芬克說是記者解讀錯誤)。當被問到是否會在2016年生產憶阻器記憶體晶片時,海力士的發言人孫(Heeyoung Son)拒絕回覆。他說:「我們沒有明確的時間表,還需要一些時間才能達成目標。」

任教於康乃爾大學、研究記憶體科技的甘致群(Edwin Kan)教授表示,當企業開始嘗試將憶阻器和相關元件整合到可靠的高密度晶片裡時,憶阻器和其他類似元件的研發似乎就走不下去了。「這技術看似前景一片光明,但它已經一片光明很久了。」

曾在惠普與威廉斯共事的史都科夫(Dmitri Strukov)說,憶阻器能不能成功,還得通過一項重大考驗。史都科夫的現職為加州大學聖塔芭芭拉分校的助理教授,他也是惠普2008年公布發現憶阻器元件報告的主要撰文者。他指出,儘管惠普和SK海力士所發表的技術文件均顯示個別的憶阻器可重複開關數兆次而不故障,但是研究人員還不清楚大型的憶阻器陣列是否也有同樣的耐用度,「這可不是件小事,」他說。

威廉斯站在實驗室裡,身旁陳列了許多憶阻器的原型器件,他雀躍地表示,自己仍對憶阻器深具信心。「如果我認為別的技術會更好,我早在一飛秒(femtosecond)內就琵琶別抱了。」他在牆上掛著一張表,上面列著幾個和憶阻器競爭的記憶體技術,其中也包括被IBM和三星等視為可取代快閃記憶體的技術。這些廠商和惠普的狀況差不多:雖然已對外公布相關技術的進展,但產品的商業前景都不明。不過,威廉斯說,除了憶阻器以外,其他的技術都無法如此完美地結合速度、密度和能源效率。即便第一代的憶阻器晶片尚未問世,威廉斯的團隊已著手找尋可容納更多資料的下一代方案,包括:可將多層憶阻器堆疊起來,並在每個憶阻器內儲存超過單一位元的技術。

隔壁實驗室內的研究人員正在研發能在電腦內部連結元件的光纖資料連線裝置,但這計畫的進展還更早期。惠普的工程師可展示包覆在雷射光束內的矽晶圓,寬度約莫是人類頭髮的四分之一,可把光推入窄小的光纖裡。惠普計畫把雷射封裝成微型的晶片,裝上「機器」的電路板,來連上記憶體和處理器,這和現行電腦的作法不同。由於傳統的光纖通訊元件太占空間,所以現在的電腦得採用金屬布線,芬克認為這個光纖連線的裝置會是「機器」最後完工的元件,大概要等到接近2020年才會真正出爐。

芬克說,屆時惠普可以把研發完成的「機器」租用給企業或大專院校,讓他們從遠端存取和執行大規模的資料分析,再過一陣子,以「機器」為雛型的伺服器也可上市販售。他補充道,惠普還可進一步調整新電腦的規格,以支援其他種類的設備,如筆記型電腦、智慧型手機,或甚至有線電視機上盒等等。

若一切按照計畫進行的話,初版「機器」問世之際,HP Enterprise已經成立五年之久,但到時市場對「機器」的反應不見得會比他們對惠普目前業務的反應更熱烈。

一般來說,新的運算科技剛開始的價格和使用難度都高,但是,雲端服務恰好相反――雲端運算提供了比自有自建系統更經濟實惠、更簡便的替代方案,在這樣的情況下,惠普伺服器的光環日益黯淡。微軟公司資深研究人員柏格(Doug Burger)便表示,在網路連線和儲存技術持續升級下,就算是自主管理伺服器的企業,其設備的效能也可能連續幾年大幅上升。

他說:「從零開始很好,因為你可以重新定義每一件事,但你真的必須事事重頭再來;能夠成功顛覆極度複雜的系統架構的計畫,在業界少之又少。」

芬克說,惠普的研究人員將提供新的工具,幫助電腦使用者輕鬆移轉到他們還不熟悉的未來運算設備。他認為,在既有運算模式下,逐步的、緩慢的系統更新所能帶來的效益會愈來愈少,而企業界也將對採用新運算平臺抱持更開放的態度。

有些矛盾的是,芬克還說,就算「機器」胎死腹中,也不會對惠普造成太大的衝擊,因為該公司還是能推出憶阻器晶片和光通訊系統,再幫今日不甚完善的電腦架構升級――雖然惠普現階段根本沒有生產晶片的事業部門。芬克說:「『機器』的研發過程讓我們獲益良多,這絕對不是不成功便成仁的事。」

但從惠普如此奮力一搏看來,實際情況似乎恰好相反。

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