离一颗真正的中国“芯”我们还差多远?-第二弹:弯道超车

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楼主 2020-07-19 12:17:09
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(阅读大概7分钟,文末有重磅彩蛋)

上周写了一篇文章,解释了要实现国产半导体技术赶英超美的梦想,我们需要以“系统级生态对战思维”来考虑问题,而不仅仅是单纯地考虑半导体技术本身。

为了让更多的人思考这个问题,文章写成后,我把它分享到几个“知识星球”中去,其中一个知识星球的某位读者(我也不知道他到底读没读),义愤填膺地在链接下方写下评论:“都是蹭流量的标题党”。


现在,我敢肯定,关于国产芯片的流量高峰已经过去了。此时再来写这类文章,肯定不算是蹭流量了。所以,咱们可以和那些真正对这个问题感兴趣的朋友来一起继续探讨-不必因为分享了想法而感到“羞愧”。


上次的文章链接如下,可以适当温习:

离一颗真正的“中国芯”,我们还差多远?-我们错过太多太多,以至于...


总之,上文中我们留下了关于实现中国“芯”梦想的两种方法:其一是在既有的思维中,和老美展开“生态系统性”对决。无论成本如何,都只能按照重建一个生态的思维来实现梦想。


当然,如果换一个思维框架,也许能发现另外一条路。上次在这里留了悬念,这次来揭开它。


为了达到这个目的,首先需要简单地回顾一些关于计算机的历史:

通过对历史的回顾,你会发现:现在计算机和数字芯片领域内取得的一切成果,都是后人在三个伟大的历史人物划定的“圈”里折腾出来的。(历史上那些伟大的人物,总是善于画圈)


制定出当今电子计算机和电子信息领域框架的三位伟大人物分别是:


艾伦·麦席森·图灵

(Alan Mathison Turing,1912年6月23日-1954年6月7日),英国数学家、逻辑学家,被称为计算机科学之父,人工智能之父。后人喜欢称他为 阿兰图灵


就是这个帅锅


他画的“圈”被称为:图灵机


无限长的纸带-开造纸厂的应该深爱图灵机


阿兰图灵认为:计算机应该是由一条无限长的纸带子,记录着二进制0\1的数字加上计算中心构成。图灵机可以从纸带上阅读所存储的数据,然后交由计算中心对这些数据进行计算。


与阿兰图灵同时代的另外一位神级人物,本来是从事数学和量子理论的数学家和物理学家。这位神级人物正在“玩”核弹和生化武器,突然发现了阿兰图灵关于图灵机和人工智能定义的论文,立即就对此产生了兴趣。


大人物的第二特征:不务正业???


他就是著名的计算机之父冯-诺依曼(在大学学习计算机原理之前,我很长时间都认为冯-诺依曼是中国人,姓冯,叫诺依曼-最多也就是一个少数民族。没想到他是地道的匈牙利人,后加入美国籍。请原谅我的无知??)


冯·诺依曼

(John von Neumann,1903~1957),原籍匈牙利,布达佩斯大学数学博士。   20世纪最重要的数学家之一,在现代计算机、博弈论、核武器和生化武器等领域内的科学全才之一,被后人称为“计算机之父”和“博弈论之父”。


冯-诺依曼 

(照片观察:北方人认为额头大的人聪明-方言说:前奔儿楼,后迪迪的人聪明。照这个标准,冯先生一定是很聪明的,而且有点绝顶。)


冯老先生比阿兰图灵大几岁,老哥哥发现了小弟弟“捣鼓”的计算机比核武器更能给人类带来积极的进步,于是也加入了这个领域。他按照图灵的构想,规划了现在的计算机结构:


著名的冯-诺依曼计算机结构


然而,以上这两位只是在理论上说说,并按照自己理论当中的想法,划定了计算机应该长成啥样子的“圈”。真正实干的却不是他们。(事实证明,画圈的人比实干的人出名)


看到两位大咖画的圈之后,立即着手开干的是一位叫约翰·阿塔那索夫(John Vincent Atanasoff)的人。约翰是保加利亚来的美国移民,“有幸”在一个美国的偏远地区-艾奥瓦的一家农场里,看到了两位计算机先驱画的关于计算机应该长成啥样的圈,就选择立即照着理论设计了第一台电子计算机:ABC机。(成功需要运气,这么偏远地方的人,应该比大城市的人更难发现科技信息。当然,更需要自身的努力,否则只会在农场养牛啥的,根本不会对计算机产生兴趣)


约翰·阿塔那索夫

(John Vincent Atanasoff)是保加利亚移民的后裔,1903年10月4日生于美国纽约州哈密尔顿,是保加利亚科学院外籍院士。曾获得计算机先驱奖、1990年IEEE授予的“电气工程里程碑奖”(Electrical Engineering Milestone)、布什授予的全国技术奖章、1970年,保加利亚政府授予的Bulgarian Order of Cyril and Methodius,First Class。1978年,入选依阿华州发明家名人堂。


外国科学家的颜值水平真是.....


后来,这台ABC计算机还和美国宾夕法尼亚大学的ENIAC打了一场官司-关于谁是第一台计算机的官司。宾夕法尼亚大学认为自己研发的埃尼阿克(ENIAC)是世界上第一台电子计算机。


约翰说,不对,是我的ABC机!


谁动了我的奶酪?


最后,美国人还是承认了ABC计算机要早于ENIAC,判约翰赢。这也为他赢得了广泛的荣誉。但,名气上还是差了一点。

(虽然比起另外两位计算机之父来说,约翰的名气差一点,但在这三个人当中,约翰是活的最长的一位。1903年生人的他,和冯-诺依曼先生同年,却活到了1995年-92岁。而冯先生早在1957年就去世了。天才少年阿兰图灵1912年生,1954年就自杀身亡。

可见,命运是公平的。不太出名的人活得比较久,也算是一种补偿。)


陈列在计算机博物馆当中的第一台电子计算机-ABC机


这之后,各路的精英们,就在前辈们划定的圈圈里展开各种折腾,终于制造了商用的大型计算机、个人计算机、单片机、嵌入式系统(单芯片计算机)、手机、智能手机....


这些产品塑造了我们今天的世界:


比鸦片好一点的是,那时候是英美送给中国人吸,现在全世界都是手机族


言归正传,总之,所有的关于计算机和数字芯片的创新,都是在图灵、冯诺依曼一百多年前划定的这个圈里(约翰·阿塔那索夫是第一位验证者)。随着半导体工艺的进步,以及人们对高频信号的理解,计算机设备越来越小、速度越来越快、性能越来越强大、信号的传输距离越来越远,但始终都没有跳到“圈”外。


论画圈,专利当然是1000多年前玄奘法师的高徒孙先生的

只不过那时候专利保护意识...


这个圈就是阿兰图灵和冯诺依曼所构想并决定的:计算机系统“自上而下”的设计理念。后人评价这三位计算机之父的贡献时常说:阿兰图灵给了计算机灵魂;冯诺依曼设计了计算机的骨骼;而约翰用“肉体”在骨骼圈定的灵魂中,制造了“活生生”(用这个词,感觉怪怪的)的计算机。


后续的CPU芯片、单片机、DSP芯片、存储芯片都是在这个框架下发展起来的技术。甚至可以说,数字半导体的一切发展,都是在这个框架内,朝着“高精尖”的方向发展。


如果咱们中国人还按照这个套路,那只能在圈内,把所有美国人走的路再走一遍,而且根本没法避开那些专利技术。这就是为什么会出现梁宁文章中写的:倪光南院士屡败屡战的经历。(这么看来,梁老师很机灵啊,要是我,肯定还在傻傻滴坚持)


想要弯道超车,我个人认为,最好的办法就是跳出这个圈,在圈外行事。


也就是改变计算机“自上而下”的系统架构,以“自下而上”的新方式来开展研究。


这样看来,八戒很有创新精神啊!


其实,关于如何在“圈外”来实现新计算系统的想法,并非是本人瞎琢磨出来的。美国连线杂志的前主编-著名的凯文-凯利(KK)先生,在自己的著作《失控》一书中,就曾经描写过关于未来计算系统的全新架构-自下而上的控制。


KK发现那些“自上而下”计算的,依照图灵和冯诺依曼架构设计出的机器人,带着庞大的脑袋,不灵便的四肢,被那些利用传感器技术(让机器人四肢有感觉)“自下而上”控制的机器人,在机器人互殴大战中,打得一塌涂地。


在这种新计算思维下,CPU仅仅是一个响应外部事件的办事员,而不是事事都要参与计算的事儿妈。当外部没有反馈的时候,CPU就无所事事。

就像那些在组织变革中刚刚交出权利的老板,一天到晚总是再问自己的下属“有事儿吗?”“有事儿吗?”“有事儿吗?”.......

“有事儿要找我啊”.......,如果你说没事儿...

他就(当然,CPU不会这样)


实际上,在我个人特别推崇的“加德纳技术成熟度曲线”上,有一项新兴技术,正在萌芽-那就是边缘计算技术,它正是以“自下而上”的新思维重塑计算方式的一种尝试。


什么叫边缘计算呢?


我们现有的计算系统,负责计算任务的只有CPU\DSP\FPGA等主芯片,也是国产的主要瓶颈(在三位大咖划定的圈圈中),其他存储设备、通讯接口都是为了把需要计算的信息搜集好了,以系统软件规定的规则,交由CPU它老人家计算。CPU得到了计算结果后,就告诉这些外围的设备,让他们采取措施-这是典型的集中计算架构。因为要集中计算,所以CPU的性能必须越来越高,才能进行复杂的计算来满足外设的需求。


而边缘计算的意思是:一般的小事儿,我自己(处在计算边缘的外设)就计算了,就不麻烦CPU他老人家了。边缘计算会把传感器得到的数据,告诉每个小传感器附近与之相连的一个小小单片机或者一个计算单元,由它直接计算并给出结果。与边缘计算设备相连接的微马达(或者其他外设),就会根据计算结果,采取行动。并把这个行动,向系统的CPU汇报一下。意思是,长官,我干了这件事,在您这登记一下。


CPU大哥负责检查这些“自己能计算”的传感器小弟们做的事儿符合算法要求么:如果符合,就不出声了,或者可以告诉处于系统边缘位置的小弟,这事儿干的好,然后撤销登记;相反,如果大哥发现这事儿不能干,就立即介入对小弟的操作,告诉它这事儿可不能做,赶紧改正!


随着整个边缘计算系统的稳定性越来越高,那么,处于边缘位置的计算单元出错的可能性就会越来越低。所以,CPU大哥的事儿就越来越少,就可以去“爬山”了,除非小弟们闹出了篓子来。


由边缘计算技术和智能微尘技术为代表的自下而上的计算系统,在物联网时代将有巨大的发展潜力。


看到这里,你可能会问,这和中国“芯”有什么关系呢?


还是回到那个问题,我们要芯片到底干嘛?不就是为了解决信息的计算问题嘛,这东西黑麻麻的也不能吃。

采取“自下而上”思维设计的计算系统(逐渐成熟),对主CPU性能的要求只会越来越低。软件系统也不是在冯诺依曼计算机结构下的构架,如果我们能抓住这次机会,就很可能把我们自己生产的、计算能力不太强的、还缺乏大型操作系统的芯片产业,带入一个新的发展领域。


也就是说,打破自上而下的计算架构,我们国产的性能比较弱的CPU就可以应用了。也可以为此编写全新的软件-去中心化的软件而不是现在的自上而下的操作系统。


如果这个目标可以实现,那么在阿兰图灵-冯诺依曼的计算机架构下,美国人对我们建立的生态优势,很有可能会荡然无存。大家重回到起跑线上,按照自下而上的计算系统,搭建和设计未来的数字信息系统。


我可以很负责任的说,虽然提出这种新计算思维的KK是美国人,但在新计算思维下的实践,美国人并没有积极地展开行动。原因是在旧计算思维模式下,他们比我们更有既得利益。因此,颠覆起来也就更难。


所以,在智能家居领域、在物联网领域、在AI领域,我们如果掌握住这次计算结构性转变的机遇,就很可能创造一个崭新的未来和全新的芯片标准。


为了大家更好地理解边缘计算,我举个例子说明一下:

在冯诺依曼计算结构下,完成“房间智能空调操作”这一行为的方式是:

传感器发现室内温度高于30摄氏度了,于是,向智能家居系统的CPU大哥汇报:大哥,温度过热。

刚开始,接到报告的大哥可能无动于衷,它还在忙着处理刚刚电饭锅老兄向它报告的“要煮饭”的信息、以及电冰箱妹妹告诉它的“鱼不新鲜了”的信息。

于是,温度传感器等了一会儿,发现大哥没反应,只好又打报告:大哥,温度过热,超过31度了!

CPU大哥还是无动于衷。原因是,软件告诉CPU大哥,必须有5个温度传感器一起报告,才能开空调。

CPU大哥说,我知道了,闭嘴,我记下来了。

直到5个传感器兄弟都报告说,大哥,忒热了,赶紧的吧。


终于收到了5条信息后的CPU大哥告诉空调小弟,哥儿们,上班,室温目标25度。空调小弟可能走神儿了,想着为啥昨天电冰箱妹妹没理他的搭讪。于是CPU大哥再次发出命令,喂,上班了。说了几次,空调小弟终于开始工作了。


确认空调小弟到岗后的CPU大哥又赶忙去响应窗帘大婶儿要求拉窗帘的要求。


在这样的结构下,CPU大哥必须很厉害,必须双核,四核,八核,否则根本忙不过来。事实上,由于半导体硅材料的限制,CPU的计算能力已经触及天花板了,著名的摩尔定律近些年来开始失效。(这让我想起那些能干的老板不在就乱成一锅粥的公司)


牛X老板也有崩溃的时候....


如果以边缘计算技术来实现同样的流程,事情就简单了。


带有边缘计算能力的传感器发现,室内温度超过30度了,就直接联系其他有计算功能的传感器:兄弟,你那边温度多少了?


另外几个传感器兄弟都说,超过30度了。于是,他们就向空调发出命令,上班儿!空调如果在愣神,他们就一直喊他上班儿,直到空调开始工作为止。


接到了空调上班儿的消息后,传感器兄弟们向CPU大哥汇报一声:我们把空调打开了啊,室温超过30度-主人在家睡觉。


CPU大哥检查一下,符合开空调的规定,回答一下,嗯,可以,干得好;如果不符合规定,CPU才发出新指令,命令空调不许开,要下岗。


至于电饭锅、电冰箱、电动窗帘,都有自己的计算系统,都可以以上述方式决定自己的工作。决定作出后,只需要向CPU大哥报备一下即可。而且各个系统相对独立工作,不需要CPU进行全盘指挥。


一旦系统能够稳定运行,CPU大哥就会非常闲,完全可以去爬山了。考虑到能力超强的CPU的成本问题,这样的系统中,不可能找一个“八核大神”闲在这里。我们的单核,或者双核的CPU就有机会出场了。


同理,如果把这种新构想,应用于各个场合,可能咱们中国相对来说比较低端的芯片制造技术、软件技术就可以很好地获得应用市场。随着市场的认可,获利后继续投入研发,慢慢地就可以建立起自己的优势来。


思维转化后的系统软件,以及计算系统肯定和原来圈内的思维不一样,只要在这个过程中我们注意保护自己的知识产权,也就能够逐步建立起自身的优势来。

此外,所谓智能微尘技术,其实就是这些具有边缘计算能力的小传感器,会像微尘一样活动在我们的身边。和普通灰尘不同的是,它们不但不构成PM2.5,还有智能计算的能力,时时刻刻服务于人类。


综合上文,我认为:换种思维方式来考虑计算系统,是实现弯道超车的基础。如果还在上述三位大咖所划定的计算系统的“圈圈”中,我们只能朝着更快、更好、更强的方向发展。那就要把所有人家走过的路再走一遍。这样做,要么需要支付巨额的专利费用,要么就甘心落后二十年,等待专利过期。在数字时代,二十年可能就是几辈子,这个,我们等不起,也输不起。



当然,还有另外一个正在实施的计算领域中弯道超车新方向-量子计算领域-继续朝着“高精尖”计算科技发展。在这个方向上,目前咱们祖国的技术处于世界一流水平。如果可以继续在量子计算领域内实现突飞猛进的发展,深受摩尔定律失效之痛的美国人,将很难再对我们产生制衡。但这要涉及到大量的基础研发投入来面对满是不确定性的未来以及激烈的竞争,因此,如果能够采取两种路线来实现目标,或许是个不错的选择。


说好的彩蛋:

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