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基础科技创新,永远是人类社会前进的驱动力之一。在现代基础科技进步史上,IBM公司不断留下了永久性的脚印。而IBM基础科技创新的核心理念之一就是拒绝“合群”,这就是“野鸭”精神。IBM公司历史上著名CEO小托马斯·J·沃森(Thomas J. Watson Jr.),以此来比喻那些具有创新精神的IBM员工,也就是那些拒绝飞行在“群体阵形”的跟随者。

2019年11月,IBM托马斯·沃森研究中心的研究员、被喻为内存之父的罗伯特·登纳德(Robert H. Dennard)博士被美国半导体行业协会(SIA)授予2019年半导体行业最高荣誉奖——Robert N. Noyce Award。正是登纳德于1966年构思了DRAM(动态随机存储存取器),才有了今天占据全球半导体产业1/4江山、千亿美元规模的内存市场,才有了后来的英特尔、AMD、三星、东芝、镁光、LG、英飞凌等一批半导体巨头公司。

登纳德于1972年又构思了著名的缩放定律(Dennard Scaling),由此奠定了摩尔定律的数学与物理基础,催生了后来更小、更经济、更可靠的存储器和高性能处理器,也实际上奠定了后来繁荣的半导体产业,推动世界进入了信息文明时代。2017年3月,在经过了近50年后,IBM研究员在《自然科学》上发表了可商用原子存储的阶段性研究成果,后于2019年10月再次演示了利用单个原子作为量子信息处理的量子位,推进量子计算的商用进展。

从信息时代最早的标准也就是20世纪初IBM打孔机,到60年代诞生的现代信息产业标准DRAM,再到如今正在定义未来信息科技的新标准——能服务于未来计算的原子存储,IBM总能为人类输出改变世界的“野鸭”。

不一样的思考

作为百年企业,IBM在人类科技创新史上留下了一连串的永久脚印,迄今累积获得美国专利高达13万9千多件,其中就包括像DRAM这样具有划时代意义的专利。今天,DRAM已经遍布全世界的各个角落,有计算的地方就有DRAM。从计算机和手机的内存,到智能汽车的车载存储,DRAM可以说支撑起了整个信息产业。仅以其占据当今半导体产业四分之一的规模,就足见其举足轻重的影响力。

DRAM是当代计算机和信息科技产业的信息存储主要方式之一。作为信息存储的三大主流技术之一,DRAM以简单架构的方式创造了计算过程中信息的动态存储。所谓动态存储即加电的时候可以用于存储信息,掉电的时候则信息消失。当年登纳德在构思DRAM的时候,可能会被质疑为什么需要这样一种“奇怪”的信息存储方式。相对于静态不易失性或永久存储来说,DRAM的出现并不符合人们的惯性思维。

要知道在1956年的时候,IBM刚推出了世界上第一台磁盘存储器(RAMAC,Random Access Method of Accounting and Control),也就是现在使用的硬盘原型。而到了1966年的时候,当时的磁带和磁盘存储不仅极为昂贵而且能存储的数据量也十分有限。当时,全世界最大的磁存储系统需要配备像机房那样庞大的设备,但却只能存储一兆字节的信息,而且不仅体积庞大、速度很慢,还要消耗大量电能。

当时,登纳德的同事正在构思如何将下一代磁存储器的尺寸缩小到25平方厘米,相应提出了六个晶体管来存储一比特数据的复杂电路,后来的SRAM静态随机存储器即基于这一原理。而登纳德则思考能否有更简单的方式实现数据存储?这就是用一个晶体管存储一个数据的DRAM。显然,DRAM虽然不能持久存储数据,但可以实现高密度、低成本的临时数据存储,其前提是计算过程中的中间数据无需保留,这样就在保证完成计算任务的前提下,降低了需要持久存储的数据量和成本。

DRAM的出现改变了计算机以及后来计算系统的体系结构,为大规模生产制造的PC甚至后来的智能手机以及今天的智能汽车等,奠定了新的计算架构。换言之,DRAM让1970年代以后出现的各种商用计算机器成为可能。而这一切,都源于1966年登纳德“不一样的思考”。

将思考转为信念

IBM创始人托马斯·J·沃森在1920年左右提出著名的IBM价值观:“THINK”。今天,“THINK”仍然是IBM的座右铭和价值主张。而IBM THINK的方式,不仅仅是提出前瞻性和批判性的思考,更是以坚定而执著的方式坚信自己的“THINK”,甚至引领整个计算产业的信念。

DRAM的提出,在一开始并未实质上改变整个计算产业,因为DRAM的生产制造需要整个生态的加入,以及在坚定信念的引导下改变计算机的架构设计。从最早的庞大机房到今天桌上小巧的电脑,再到口袋里的手机以及移动汽车里的边缘计算,整个现代计算产业的启动都是源于对于DRAM这样一个动态随机存储的信念。因为反过来,如果坚信静态存储而不发展动态存储的的话,今天的计算设备将仍保持庞大且昂贵的状态,那么人类将永远无法真正进入信息科技文明时代。

除了DRAM,登纳德的另一项发明是1972年提出的一个同样在日后产生了深远影响的想法,从而奠定了整个半导体行业的发展道路。“登纳德缩放比例定律”(简称:缩放定律)绘制了一个详细的模型,描述了随着晶体管的尺寸不断缩小,即使每个芯片消耗的能量几乎保持不变,但是在给定空间中能够容纳越来越多的晶体管数量,而且功能更强大、价格更低廉。对于每一代产品来说,工作频率(也被称为时钟速度)会比上一代产品提高40%,而指定空间可容纳的晶体管数量将比上一代产品增加一倍。

简而言之,“缩放定律”告诉业界,随着给定空间内能够容纳的晶体管的数量不断增加,计算机的速度会越来越快,价格会越来越低。自登纳德从于1974年发表“缩放定律”论文以来,半导体行业一直坚信并在这个定律的引领下不断向前发展,包括投资数千亿美元来实现令人震惊的技术突破。不仅半导体行业,整个现代社会都依赖于半导体运转,所有的产业和行业都相信每隔几年就会出现更新、更强的存储器和逻辑芯片,并根据这个假设来规划未来。

IBM也在不断推进“缩放定律”的信念极限。2014年,IBM Power 8芯片推出22纳米制程;2015年IBM与合作伙伴研制出7纳米测试芯片;2018年,IBM Power 9芯片带来了14纳米制程;2020+以后有望把IBM Power芯片推进到7纳米制程。而在IBM THINK 2018大会上,IBM展示了世界上最小的电脑,尺寸仅有1毫米X1毫米,甚至比一粒盐还小,而制造成本则不到10美分,却具有处理器、存储器、存储和通信模块等,可用来完成数据的监测、分析、传递甚至执行。当时,它被用于一种开发中的数字指纹技术,可嵌在日用产品中,记录产品的产地、流通等信息。

原子世界:思考未来

登纳德阐明了摩尔定律的数学和物理原理,并开启了此后一直持续到21世纪初的“黄金时代”。在此期间,微处理器的频率提高了1000倍。反过来,存储空间增加和计算速度加快促使全新的软件应用问世,从而形成了一个良性循环,这又对计算能力提出了新的要求。

同样处于黄金时代的IBM,并没有沉醉在自己研究员的基础科研成果中,也没有在引领和跟随整个计算产业生态群体飞行的同时,而忘记了不一样的“THINK”。下一代信息存储的方式是什么?在“缩放定律”到达真正的极限后,是否还有与当年DRAM一样的创新科技,最终将彻底改变商用计算机器设备的形态呢?这就是原子存储。

在原子存储的概念出现之前,业界普遍认为分子是最小的数据存储单元。如果一个原子存储可以存储1比特数据的话,那么不到一张信用卡大小的设备能够完全存储2017年iTunes音乐库中所有3500万首歌曲。2017年初,IBM研究员们在《自然》杂志上发表研究成果:早在1989年的时候,IBM研究员就成功尝试了用35个原子拼写出“IBM”三个单词,2012年的时候IBM发明了采用12 个原子位的世界上最小磁性存储,而到了2017年IBM不仅进一步减少到一个原子位,还能让存储在原子上的数据维持数小时稳定,两个带磁性原子只需彼此间隔一纳米就可以独立写入或读取。

从百年前的打孔机到50年前的DRAM再到即将到来原子存储,IBM基础科研创新从来都遵循一条潜在的规则:不断开辟可大规模商用的计算机器以及基于新机器硬件的完整产业生态。IBM基础科研创新,最终目的是为了造福整个人类,而并非为了某个公司的利益。

这就是IBM的“野鸭”精神——拒绝“合群”、改变世界,飞出不一样的天空。(文/宁川)


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