資訊科技

記憶運算 學人腦思考

新型電子元件不像電晶體,反而更像神經元,將帶來效率極高、運算速度更快的「記憶電腦」。

撰文/文特拉(Massimiliano Di Ventra)、潘興(Yuriy V. Pershin)
翻譯/甘錫安

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記憶運算 學人腦思考

新型電子元件不像電晶體,反而更像神經元,將帶來效率極高、運算速度更快的「記憶電腦」。

撰文/文特拉(Massimiliano Di Ventra)、潘興(Yuriy V. Pershin)
翻譯/甘錫安

重點提要
■現今電腦使用處理器執行運算,在記憶體中儲存程式和資料;來回搬移資料耗費了大量的電能和時間。
■「記憶運算」這個新構想的運作方式類似人類大腦的神經元,能在同一神經元執行運算並儲存。
■這個構想將使電腦的運算速度和效率大幅躍升,同時帶來新的運算架構,因此科學家正在努力尋找各種記憶運算元件的最佳運用方式。

我們撰寫這篇文章時,用的是目前最先進的電腦,但這類電腦相當浪費能源,而且執行複雜科學運算時速度緩慢。現在市面上的各種電腦,不論是你手上的智慧型手機還是全世界最先進機構中價值數百萬美元的超級電腦,都有同樣的問題。

我們和許多讀者一樣,使用Word這套軟體撰稿。要打出「我們撰寫這篇文章時」這句話,電腦必須從記憶體取出一連串的0和1(Word文件的代碼),經由線路搬移到另一個實體位置,也就是中央處理器(CPU)。CPU把代碼轉換成我們在螢幕上看到的文字,但關閉電源時這些字句會立刻消失,因此必須透過線路把代表字句的資料儲存到硬碟等比較穩定的記憶體。

由於目前電腦的記憶體無法運算資料,CPU也不能儲存資料,導致程序如此繁複。即使是全世界運算速度最快、使用多個CPU執行所謂「平行處理」的超級電腦,同樣採行這種標準分工方式,但問題是這類CPU的效能仍然因為這個限制而受到影響。

科學家一直在研發新技術,試圖把兩種難以並存的過程結合,也就是創造能執行運算並儲存資料的電路。要達成這個目標,必須以憶阻器(memristor)、憶容器(memcapacitor)和憶感器(meminductor)等電子元件取代目前電腦的電晶體、電容器和電感器,這類元件現今仍在實驗階段,但很快就能構成新的「記憶電腦」(memcomputer)。

記憶電腦具備雙重能力,每個元件都能以效率更高的新型平行運算方式來計算問題的答案,可望達到前所未有的高速運算。由於此電腦的記憶體運算了困難的問題,而且直接儲存在其中,所以可省下目前電腦中來回搬移資料而消耗的電能。這種嶄新的運算架構將改變各種電腦的運作方式,從智慧型手機的微型晶片到龐大的超級電腦。事實上,這種設計相當接近人類大腦的運作方式,在同一個神經元內儲存記憶並處理資訊。

記憶電腦的運算速度應該會快上許多,只需數秒鐘就能算出目前電腦花費數十年才能完成的計算,而且體積更小、用電量也更少。完整的記憶電腦目前尚未問世,但我們以這類元件進行的實驗結果顯示,這種電腦將對電腦設計、全球永續發展、電力消耗和人類解答重大科學問題的能力,產生極大影響。


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