幾乎所有的人對沃森電腦的印象，都停留在「危險邊緣」節(jié)目上看到的畫面：冷冰冰、深紫色系的電腦螢幕，豎立在另外兩位人類參賽者中間，會發(fā)出詭異的電腦語音。
完整的沃森電腦，當然不只是電視螢幕上看到的那樣，如果有機會前往紐約參觀IBM全球研發(fā)中心位於約克城高地的實驗室，你就會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「危險邊緣」中勝出，也會同意為什麼非得用顛覆傳統(tǒng)的方式，才能設計出新世代的認知運算電腦了。
沃森電腦放置在約克城高地實驗室二樓的數(shù)據(jù)中心，由九十二臺伺服器組成，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，再隔出一個小房間。走進這個小房間，你會聽到室內(nèi)空調(diào)的風扇跟伺服器本身的小風扇一起嗡嗡作響，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「危險邊緣」比賽的時候，沃森電腦微處理器運作的速度，比世上第二快的一般電腦的運作速度，還要再快上以數(shù)據(jù)為中心的電腦一倍;但是代價就是，沃森電腦會散發(fā)龐大的熱量、以及散熱風扇會發(fā)出不小的噪音。這顯示了耗能問題非常嚴重：沃森電腦全速運轉(zhuǎn)時的耗電量，高達八萬五千瓦，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數(shù)量級的方式，來提升電腦的運作效率，否則未來認知運算電腦的成本，將高到很難成為我們廣泛運用的好幫手。IBM全球研發(fā)中心的科學家認為，如果要在大數(shù)據(jù)時代設計出符合環(huán)境永續(xù)概念的電腦，我們一定要能設計出新型態(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)行最多動作的地方。微處理器搭載作業(yè)系統(tǒng)後，會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)路中的一臺電腦，則有可能需要用遠端傳輸?shù)姆绞剑庞修k法取得其他電腦儲存的數(shù)據(jù)。
新世代的電腦一定要能大幅減少傳輸數(shù)據(jù)的動作，也就是以數(shù)據(jù)、而不是處理器做為運作核心。按照IBM先進系統(tǒng)設計部門主管達華里(Bijan Davari)的說法，新的設計架構(gòu)將可以把許多任務畢其功於一役，不但可以增加電腦運作的速度，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。
電腦的運算能力自從1970年代，工程師開始在單晶片里塞進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)秀的運算能力，因此電腦業(yè)者開始推出伺服器，專門處理大量、復雜的工作，主要的做法有兩種，其中一種是在一臺伺服器內(nèi)，裝上運算能力更強的零組件與其他資源，通稱為升級(scaling up)，IBM的大型主機即采取這種做法;另一種做法是擴充(scaling out)，是把多臺伺服器串連、視同一臺大型伺服器般使用，這也是超級電腦跟Google數(shù)據(jù)中心伺服器大軍的做法。
IBM的科學家相信，未來以數(shù)據(jù)為中心的電腦將具備一種基本特徵：電腦工程師會設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)傳送也是個負擔沉重的工作;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，同時也能減少數(shù)據(jù)傳送的負擔。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奇特的小玩意兒，可以在一個立方體內(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。這種新設計可以縮減現(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。
這項新科技會對未來的電腦帶來重大影響，譬如用於原油探鉆、汽車撞擊測試的大型超級電腦，體積會變得更小、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。這項技術(shù)繼續(xù)發(fā)展的話，未來即便是智慧型手機、平板電腦、或是其他行動裝置，也都可以將運算能力提升到一個難以想像的境界。
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，有微處理器擔任神經(jīng)中樞的角色，負責處理所有或大部分的運算工作，因此運算時派得上用場的數(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)的特用電腦上進行測試。紐約州立大學水牛城分校神經(jīng)科學教授拉曼納森，即參與了其中某一項測試計畫。
多發(fā)性硬化癥會讓人痛苦異常，患者的免疫系統(tǒng)會主動攻擊自身的大腦與脊髓，導致病患失去行動能力，并造成認知失調(diào)問題。這種疾病多半會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，進而找到醫(yī)治的方法，或是起碼找到能夠預先防治的方法。拉曼納森研究工作最大的挑戰(zhàn)，在於人類基因可能導致多發(fā)性硬化癥的組合方式實在太多了，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在於克服龐大數(shù)據(jù)帶來的技術(shù)障礙，而傳統(tǒng)超級電腦欠缺大量平行運算的能力，因此也沒辦法有效處理拉曼納森所面對的問題──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行平行運算後，再從平行運算的結(jié)果推導出最後答案的電腦。如果要有效解決拉曼納森面臨的難題，勢必要采用平行運算搭配以數(shù)據(jù)為中心的微處理器架構(gòu)。
於是，拉曼納森的研究團隊設計一臺專門用於數(shù)據(jù)密集分析的電腦，這臺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，進行後續(xù)的數(shù)據(jù)分析。這套微處理器可以程式化設定需要搜尋的數(shù)據(jù)，因此可以有效過濾高達九成的數(shù)據(jù)量，讓中央處理器僅針對篩選過的數(shù)據(jù)進行分析即可，不用照單全收;就形式上而言，如同傳統(tǒng)電腦只在記憶體進行存取，省去讀取硬碟的步驟。如此一來，這臺專用電腦可以減少數(shù)據(jù)搬動，連帶達到省電效果，并提升電腦中樞的運算速度與效率。
接下來，我們用拉曼納森研究團隊實際取得的績效，說明這臺新電腦的效率高到什麼程度。研究團隊完成安裝後不久，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)輸入電腦進行運算──相當於有五十億種「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計算的答案，給算出來了。坐在紐約州立大學辦公桌前的拉曼納森，收到一封運算結(jié)果摘要報告的電子郵件，他說：「這個結(jié)果讓我感到興奮莫名，有如在眼前開啟了一扇機會之窗。我們，終於有機會解決以往難以處理的問題了。」
以光子技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)
無論在電腦系統(tǒng)的哪個地方處理數(shù)據(jù)，用更快、更有效率的方式搬動數(shù)據(jù)，當然還是基本功。這就是以數(shù)據(jù)為中心的電腦，必須具備的第三種基本特徵。
一般公認，借助光子學(photonics)的原理，將可更迅速的搬動數(shù)據(jù)，也就是用光波來制造訊號、傳送訊號、處理訊號。電話公司和寬頻網(wǎng)路業(yè)者已經(jīng)在光纖電纜內(nèi)，用脈沖光束的方式加速數(shù)據(jù)傳送的速度，以便和遠端進行語音交談或是分享電影、電視等多媒體內(nèi)容;大樓內(nèi)部和數(shù)據(jù)中心的電腦之間，也可以用光纖傳輸數(shù)據(jù)。未來，光子學技術(shù)可望運用在伺服器內(nèi)部、甚至是電路板上的數(shù)據(jù)傳送，最終也不排除在晶片內(nèi)以光子技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)的可能。
IBM全球研發(fā)中心有一群科學家，利用十年的研究計畫取得奈米光子技術(shù)的重大進展。他們在單一矽晶片上，整合了傳統(tǒng)電子元件與光學元件，稱為CMOS整合奈米光子(CMOSintegrated nanophotonics)技術(shù)，這將有助於大幅度提升各種電腦的效能。目前，先進電腦仍舊用不同的晶片處理光學元件，就成本與效能而言都還有改善空間。這項CMOS整合奈米光子新技術(shù)，不但把光、電元件整合在單一晶片上，還可以讓晶片制造業(yè)者沿用現(xiàn)有生產(chǎn)設備，盡快達成量產(chǎn)的目標。
搬動一個位元的成本是多少?
「電腦運作的時候，搬動一個位元的成本是多少?」顯然這是一個不值得花時間回答的問題。因為在當前資訊科技的環(huán)境里，這個成本是微乎其微。
問題是，電腦科學家已經(jīng)注意到進入大數(shù)據(jù)時代後，遠距離搬動大數(shù)據(jù)的成本會有爆炸性成長，即便在短距離來回多次搬動數(shù)據(jù)，成本亦會暴增。
這就是IBM主管「百萬兆級運算」(exascale computing)的副總裁特瑞克(David Turek)，在2011年向共聚一堂的IBM電腦系統(tǒng)專家提出這個問題的源由。特瑞克說：「還好這些專家愿意正面看待我所提出的笨問題。進入大數(shù)據(jù)時代後，我的笨問題會開始變成大問題，所以必須找出能夠真正量化數(shù)據(jù)移動成本的方法。」
特瑞克的簡單問題，促使IBM啟動一項從根本改變電腦架構(gòu)的研究計畫：代號DC2的「以數(shù)據(jù)為中心的深度運算計畫」(Data Centric Deep Computing)。這是IBM自1960年代初發(fā)表360系列大型主機之後，最能徹底檢討、反思該如何設計電腦的一次顛覆性創(chuàng)舉。這項研究計畫促成新的創(chuàng)新文化，以及下定決心拋棄舊觀點、一切重頭來過的特性，都值得大書特書。
負責主導DC2研究計畫(并且要能夠回答特瑞克的成本問題)的科學家是名列IBM院士之一的卡爾(Jim Kahle)。卡爾在過去三十多年，曾帶領(lǐng)數(shù)個研究團隊完成不少最先進的晶片設計，包括索尼PlayStation游戲機上專用的Cell處理器、超級電腦「走鵑」(Roadrunner)、以及其他先進的數(shù)位電視晶片組等。其中比較可惜的是Cell處理器，并未如卡爾預期般的在所有運算設備中大放異彩，因此卡爾希望DC2計畫能夠帶動電腦革命性的新設計，以前所未見的高效能，實現(xiàn)當初Cell處理器沒有達成的目標。
卡爾很能跟各有所長的專業(yè)人士溝通，讓各種新想法都有浮上臺面參與討論的機會，這些都是推動DC2研究計畫不可或缺的重要經(jīng)驗。
DC2研究計畫啟動後的前幾個月，卡爾廣泛召集不同背景的專家，一起描繪十年以後的電腦會有哪些新用途、新功能，討論研究團隊應該提前做出哪些準備。這些專家的背景包括半導體工程、光子學技術(shù)、記憶體模組開發(fā)、系統(tǒng)架構(gòu)、電腦軟體以及數(shù)學家、統(tǒng)計分析師等，他們的觀點讓認知運算時代該有的電腦架構(gòu)逐漸在卡爾腦海中成形，并開始擬定完成計畫目標的執(zhí)行步驟。
卡爾說：「我們必須先重新自我組織工作團隊。打破本位主義可不是一件簡單的事，但是我們必須改弦易轍，朝新方向前進。」
讓中央處理器走出深宮內(nèi)院
DC2計畫截至目前為止還在進行中，距離最終成果發(fā)表的階段還很遙遠，不過研究團隊已經(jīng)確立許多有助於他們完成目標的基本原則：他們相信，研究成果必須奠定在把原本以處理器為核心的想法轉(zhuǎn)型成以數(shù)據(jù)為中心的想法上。
卡爾記得，以數(shù)據(jù)為中心的想法是在2011年的年底，才突然成為研究計畫的重心，當天他和十幾位研究人員在約克城高地實驗室的36-002會議室(這是DC2研究計畫的戰(zhàn)情數(shù)據(jù)室)里，每個人都覺得前途茫茫。盡管大家對於新科技的突破都有不錯的想法，但是卻一直欠缺一以貫之的大方向。
此時，其中一位遲到的成員內(nèi)爾(Ravi Nair)，推開會議室大門走進來，把手上那張草圖傳給其他同事瀏覽。草圖左邊是傳統(tǒng)電腦在各層級儲存系統(tǒng)移動數(shù)據(jù)的過程──從硬碟進入記憶體，最終再到處理器的過程;右邊則是直接在每一層級處理數(shù)據(jù)、以及分散式架構(gòu)的省電效果。這張圖讓卡爾靈光乍現(xiàn)：研究方向應該是讓傳統(tǒng)電腦的處理器走出深宮內(nèi)院才對!未來電腦將不會再有唯一的中央處理系統(tǒng)，處理器會分散在電腦系統(tǒng)的不同位置，數(shù)據(jù)為主、處理器為輔。
這個石破天驚的見解，跟設計新的電腦架構(gòu)有什麼關(guān)系?
這就要回到幾星期前，特瑞克提出的那個最根本的問題了：搬動一個位元的成本到底是多少?下班回家後的卡爾，好好想了一個值得參考的比較基準。簡單來講，把該位元搬動到網(wǎng)路上的成本介於800到6,000兆分之一美元，視真正的移動距離而定;如果該位元只在一臺電腦內(nèi)部移動的話，成本只介於6到27兆分之一美元而已;換句話說，長距離移動數(shù)據(jù)再行處理的成本，比直接在數(shù)據(jù)旁邊進行處理的成本，高上大約兩百到一千倍。
未來愿景：桌上型超級電腦
在不同狀況下，搬動數(shù)據(jù)的成本變化頗大。卡爾所率領(lǐng)的研究團隊精確估算過每一種狀況下的成本效益分析，因而得到一些非常實用的結(jié)論，例如讓電腦系統(tǒng)里某些特制的處理器，專門解決特定的工作項目。
卡爾的研究團隊也會采取分流處理的做法：有時候是讓記憶體、硬碟旁邊的處理器，或是把守數(shù)據(jù)匯流進入系統(tǒng)的處理器，就近發(fā)揮功效，以達到最佳化效果;有時候(依工作性質(zhì)不同)則是讓中央處理器，直接存取大多數(shù)的數(shù)據(jù)。
目前卡爾的研究團隊兵分兩路，一部分開始著手打造新電腦所需要的硬體零組件，另一部分則致力於開發(fā)運作新電腦所需要的軟體架構(gòu)。這兩者缺一不可。打造以數(shù)據(jù)為中心的電腦可能要花上好幾年時間，無論如何，研究團隊希望未來的電腦可以辨別被指派的工作項目，自動安排系統(tǒng)內(nèi)部不同的處理器分工合作，就好像交響樂作曲家，安排不同樂器演奏不同的音符、發(fā)出不同聲響的效果一樣。
針對大數(shù)據(jù)時代設計新型電腦，絕對是一份吃重的工作，但是新型電腦潛在的發(fā)揮空間，會讓這一切的努力付出，值回票價。或許十年後，就可以看見當前運算速度最快的超級電腦居然可以精簡成辦公桌上的一個盒子了，更何況未來運算速度最快的電腦究竟能完成哪些工作，恐怕也已經(jīng)不是現(xiàn)在的我們可以想像的了。
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