前些天，埃隆·馬斯克(Elon Musk)旗下的神經(jīng)科學公司Neuralink，正式對外公布了一個可擴展的高帶寬腦機接口系統(tǒng)。

科技的進步，再次引發(fā)了大家的熱議和關(guān)注。

IBM，被業(yè)界譽為藍色巨人，隨著面向云的轉(zhuǎn)型，IBM在科技上的進取呈現(xiàn)出了新意。

一方面，在資本與技術(shù)的融合上，不惜花費340億美元的大手筆，將全球開源領(lǐng)域大名鼎鼎的Redhat紅帽公司成功收購，進一步加深了在混合云領(lǐng)域的布局。

另一方面，聚焦未來架構(gòu)，IBM對未來的科技思考，也變得更為前衛(wèi)、豐富與積極。令人期待的黑科技，款款顏值都很高。

 ⊙黑科技之一：

未來引領(lǐng)，多位相變存儲有了全新突破

IBM研究團隊針對相變存儲，尤其是多位相變存儲的研究已經(jīng)有十年左右的歷史。

2010年，IBM研究團隊發(fā)表了可靠的多位相變存儲相關(guān)技術(shù)。

2015年，IBM研究團隊成功的演示了每單元2位的可靠的相變存儲技術(shù)，可以支持多達一百萬次的擦寫。

2016年，IBM研究團隊又成功的演示了每單元3位的相變存儲，可以在80度的高溫下重復擦寫一百萬次。

IBM副總裁、大中華區(qū)首席技術(shù)官、IBM中國系統(tǒng)科技中心總經(jīng)理謝東博士

就在2019年7月18日位于南京舉辦的2019 IBM Systems 科技論壇上，IBM副總裁、大中華區(qū)首席技術(shù)官、IBM中國系統(tǒng)科技中心總經(jīng)理謝東博士帶來了更令人驚贊的技術(shù)細節(jié)和深度思考，IBM在高溫下的64k相變存儲單元陣列上實現(xiàn)每個單元成功存儲3比特的能力，并且在實驗室完成了其重復擦寫次數(shù)突破100萬次。

其中，最大技術(shù)挑戰(zhàn)在于工藝上對于電阻飄移的容錯處理，以及工程可靠性，這與相變存儲器自身特性有關(guān)。作為一種非易失存儲，相變存儲目前主要利用的是特殊材料在結(jié)晶態(tài)和非結(jié)晶態(tài)這兩種穩(wěn)定狀態(tài)下的電阻差異來表示不同的信息。對于相變材料的加熱有不同的技術(shù)實現(xiàn)方式，包括使用激光器來進行加熱等方式。相變后的材料性質(zhì)由注入的電流、電壓及操作時間決定。

當然，實現(xiàn)每個單元3比特的存儲能力意味著在這樣的存儲密度下，PCM相變存儲的成本將接近閃存，并且大幅低于DRAM的成本。值得深入研究的價值在于PCM相變存儲具備了DRAM與閃存的雙重特性。相變存儲技術(shù)上的全新突破，可能對技術(shù)架構(gòu)帶來系統(tǒng)級變革，甚至是編程模式的顛覆。

在PCM相變存儲技術(shù)進一步利用上，可以改變處理器和內(nèi)存的傳統(tǒng)信息傳輸架構(gòu)，加速內(nèi)存計算前進的步伐，讓理想變?yōu)楝F(xiàn)實有了很大可能性。

下一步，IBM計劃和一些芯片制造廠商來合作制造PCM芯片，并推出適合主機、Power服務(wù)器和IBM存儲相關(guān)的PCM產(chǎn)品。

 ⊙黑科技之二：

超高密度磁帶技術(shù)加速進化，大有可為

信息存儲發(fā)展的歷史，其實就是存儲介質(zhì)不斷創(chuàng)新，從而帶動存儲行業(yè)向前發(fā)展的過程。

PCM相變存儲正在為世界帶來全新的機會，同樣的，歷史悠久的磁帶存儲技術(shù)，歷久彌新，依然保持著技術(shù)迭代的創(chuàng)新力。

作為磁帶技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊之一，IBM聯(lián)合HP、Quantum在1997年11月共同推出了線性磁帶開放協(xié)議，即LTO（Linear Tape Open）技術(shù)。之前，LTO聯(lián)盟公布了LTO-10將配合壓縮技術(shù)提供高達120TB可用存儲容量，在可用存儲容量擴展至120TB之后，已經(jīng)有證據(jù)表明其數(shù)據(jù)傳輸速度能夠達到每秒2.75GB。當然其中也結(jié)合了線性多通道、雙向磁帶格式技術(shù)，基于服務(wù)系統(tǒng)、硬件數(shù)據(jù)壓縮、優(yōu)化的磁道面和高效率糾錯技術(shù)，對磁帶的能力和性能帶來了很好的提升。

2017年，IBM研究院再次創(chuàng)下新的磁帶存儲世界紀錄，將330TB的未壓縮數(shù)據(jù)裝進了一盒手掌大小的磁帶里。從而，實現(xiàn)了磁帶面密度（Areal Density）全新的突破，相當于磁帶存儲密度可以達到201GB/in2。該記錄是在索尼存儲介質(zhì)解決方案 (Sony Storage Media Solutions) 公司研發(fā)的濺射磁帶原型上來實現(xiàn)。IBM也非常有信心在未來的6到7年時間里，將 LTO Ultrium的容量路線圖突破至LTO-12（190 TB）。這將推動超高密度磁帶技術(shù)加速進化。

IBM企業(yè)級磁帶庫的黑科技操作展示

可見，大容量成為了磁帶存儲的顯著優(yōu)勢。不過，磁帶介質(zhì)的特性帶來了兩個明顯的缺點：一是從帶庫取盤加載到讀帶機的時間長；二是只能線性讀取，不能隨機訪問。

但是，作為存儲媒介，磁帶的優(yōu)勢也不少。除了大容量的好處，第二就是磁帶更節(jié)能，數(shù)據(jù)被磁帶記錄后，立馬進磁帶庫，能耗也就顯著節(jié)省。

第三，磁帶非常穩(wěn)定，出錯概率比其它存儲設(shè)備低4-5個量級。

第四，磁帶的安全性高，磁帶只要沒有插入驅(qū)動器，數(shù)據(jù)就無法訪問、修改。

因此，磁帶存儲應用在多個行業(yè)領(lǐng)域，諸如粒子物理學、射電天文學、人類文化遺產(chǎn)、國家檔案、重要電影、銀行、保險、石油勘探等。磁帶存儲以最安全、最節(jié)能、性價比最高的存儲方式，也廣泛應用到了大容量備份、檔案資料存儲以及大數(shù)據(jù)和云計算等新的應用存儲。

謝東博士介紹說，知名的云廠商微軟和Google都有采用磁帶存儲的方案，國內(nèi)一些互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)客戶也在積極的推進磁帶的研究和使用。

此外，閃存和磁帶的結(jié)合，有可能將為數(shù)據(jù)存儲架構(gòu)帶來深刻的變革。為此，FLAPE=Flash Tape十分值得期待，IBM也在不斷向前推進中。

 ⊙黑科技之三：

全同態(tài)加密技術(shù)的革新，讓云上數(shù)據(jù)更安全

全同態(tài)加密的概念很多年之前就被提出來了，只是在算法上一直存在一些問題和挑戰(zhàn)。直到2009年，斯坦福大學的Craig Gentry在其博士論文《A Fully Homomorphic Encryption Scheme (Ph.D. thesis)》中，首次提出來了一種里程碑式的全同態(tài)加密算法。這是基于理想格(ideal lattice)來構(gòu)建全同態(tài)加密方式，被認為是第一個真正意義上的全同態(tài)加密方案，在很大程度上推動了全同態(tài)加密技術(shù)繼續(xù)向前邁了一步。

Craig Gentry也是IBM的研究員，他的全同態(tài)加密算法也給全球研究者描繪出了一個意義深遠的藍圖，影響著多個領(lǐng)域的變化和發(fā)展。

一方面，全同態(tài)加密技術(shù)還被業(yè)內(nèi)稱之為云計算數(shù)據(jù)安全領(lǐng)域的大救星。這主要在于該加密算法本身的特性，可以對密文進行操作，然后還可以恢復明文。

另一方面，這不僅可以幫助云計算供應商解決了用戶數(shù)據(jù)上云后的安全性，同時對醫(yī)療用戶的數(shù)據(jù)隱私保全也有很大意義，當然在其他如金融等行業(yè)領(lǐng)域的應用也非常有前景。

對于任何一個用戶來說，其數(shù)據(jù)被加密后上云或被相關(guān)機構(gòu)處理，利用全同態(tài)加密技術(shù)就可以在加密數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進行數(shù)據(jù)處理，而在處理過程中卻對數(shù)據(jù)明文并不知曉具體情況。這樣就可以讓數(shù)據(jù)處理方無法獲得具體的用戶數(shù)據(jù)，使得數(shù)據(jù)傳輸流動的整個過程中，都保持加密狀態(tài)，提升了用戶數(shù)據(jù)的安全性。同樣，也就為云服務(wù)商、醫(yī)療數(shù)據(jù)分析機構(gòu)等行業(yè)領(lǐng)域帶來了更有前景的業(yè)務(wù)拓展。

在2018年IBM發(fā)布的未來5年內(nèi)的五大科技預測中，基于格的全同態(tài)加密 (Fully Homomorphic Encryption ，F(xiàn)HE) 技術(shù)當選其中之一。全同態(tài)加密保證了數(shù)據(jù)處理方只是可以處理加密的數(shù)據(jù)，而對數(shù)據(jù)具體內(nèi)容一無所知。讓未來云上數(shù)據(jù)更安全，全同態(tài)加密技術(shù)帶來的革新值得期待。

 ⊙黑科技之四：

近似計算，打開數(shù)字AI芯片的未來之路

在AI領(lǐng)域的發(fā)展，IBM一直創(chuàng)新不斷。除了AI算法的研究之外，IBM也十分專注AI芯片的創(chuàng)新技術(shù)。

謝東博士分析指出，打開數(shù)字AI芯片的未來之路，近似計算在其中發(fā)揮著重要的作用。

所謂近似計算，就是采取了獲得近似結(jié)果的計算，減少計算精度，可以基本滿足其目的即可，這樣的好處在于提升了計算的效率，節(jié)省了計算過程的能耗。

在人工智能、深度學習領(lǐng)域的一些應用過程，不需要很高的計算精度，一旦將計算精度降下來，數(shù)據(jù)量也可以降低，不僅可以實現(xiàn)計算速度更快，也對數(shù)據(jù)通信的要求同時也減。這樣就可以縮小芯片的面積，自然可以省錢節(jié)能。這樣的輕量級AI芯片，有助于AI模型訓練效率提升，利于邊緣計算獲得更佳的效果。

早在2015年，IBM采用16位輕量級AI芯片得到結(jié)果，基本可以達到32位x86平臺上的水平，也就是識別的準確性近似。

然后在2016年，IBM采用8位輕量級AI芯片模型訓練，采用4位AI芯片進行預測，基本可以達到相同訓練結(jié)果和預測準確率。

后面，IBM在設(shè)想研究這樣的AI訓練和預測，能否在兩位AI芯片上來完成。

由此，IBM保持了在近似計算這樣一個很特別的發(fā)展路線圖，尋求輕量級AI芯片計算速度更快，功耗更節(jié)省，價格更便宜。

 ⊙黑科技之五：

內(nèi)存計算，一個新時代的開端

當前，與近似計算一樣令人眼睛發(fā)亮的是內(nèi)存計算（In Memory Computing, IMC），也有人稱之為可計算存儲。

業(yè)內(nèi)公認的內(nèi)存計算原理，運用內(nèi)存物理特性來進行數(shù)據(jù)的計算和存儲。

然而，IBM卻將內(nèi)存計算的實現(xiàn)方式，采用內(nèi)存與處理器核心集成在一起，從而省掉了計算過程數(shù)據(jù)調(diào)用帶來的性能瓶頸如數(shù)據(jù)時延問題。這種方式打破了馮·諾依曼的計算架構(gòu)，不僅可以減少數(shù)據(jù)搬運對整個計算系統(tǒng)的性能影響，而且可以帶來更經(jīng)濟的功耗表現(xiàn)。而馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)的特點在于，各種數(shù)據(jù)會在內(nèi)存和計算單元之間不斷穿梭，大量的數(shù)據(jù)調(diào)用會降低計算速度并且增加能量消耗。

謝東博士指出，IBM內(nèi)存計算設(shè)計也會運用到相變存儲PCM特性。PCM改變現(xiàn)有的計算與存儲架構(gòu)，將內(nèi)存計算的設(shè)想變成了更多的現(xiàn)實。相變存儲通過電阻來表示存儲數(shù)據(jù)，運用乘法運算的特點，靠物理特性來實現(xiàn)，瞬間可以完成。并且可以直接在內(nèi)存上進行，減少數(shù)據(jù)搬運、減少功耗，計算效率大大獲得提升。IBM實驗室獲得的指標已經(jīng)實現(xiàn)了300倍的功耗節(jié)省。

其外，相比數(shù)字方法的近似計算是減少精度，模擬方法的內(nèi)存計算是更好的提升精度。目前，IBM可以實現(xiàn)8位等效精度的模型，這樣的模擬方式相當于實現(xiàn)了8位數(shù)字的等價精度效果。

IBM研究員Evangelos Eleftheriou博士撰文表示：“技術(shù)瓶頸導致摩爾定律失效，從處理器與內(nèi)存’一分為二’的馮·諾依結(jié)構(gòu)出發(fā)，實現(xiàn)本質(zhì)上的創(chuàng)新與突破，讓內(nèi)存計算的革新成為可能。目前，內(nèi)存計算技術(shù)本身的簡單性、高速度和低能耗，讓最終實驗結(jié)果非常接近于在馮·諾依曼計算機上運行的基準方法。”

當前，人工智能（AI）應用中的高密度、低功耗、大規(guī)模的并行計算系統(tǒng)，非常適合采用內(nèi)存計算方式來實現(xiàn)，整體計算效率可以大大提升的同時，系統(tǒng)功耗也能大大減少?？梢?，內(nèi)存計算的未來發(fā)展令人十分期待，或?qū)⒋砗蟆榜T·諾依曼”時代的開端。

 ⊙黑科技之六：

突破再突破，量子計算的未來已來

量子計算領(lǐng)域的研究與突破，IBM一直處于全球領(lǐng)先的位置。

現(xiàn)在，IBM領(lǐng)先的量子計算從實驗室已經(jīng)開始走向了大眾，其中，IBM Q System One是量子計算商業(yè)化的重要一步。并且在2019美國CES展會以及IBM Think大會上，IBM對外展示了全球唯一脫離實驗室環(huán)境運行的量子計算機“IBM Q System One”。

揭開IBM Q System One量子計算機的黑科技之謎

謝東博士強調(diào)指出，量子計算，很有可能是現(xiàn)有計算架構(gòu)體系獲得前所未有突破的一個技術(shù)。未來發(fā)展?jié)摿薮?，不僅在人工智能、機器學習領(lǐng)域的核心優(yōu)化(optimization)可以獲得很大發(fā)揮，同時在多個計算領(lǐng)域?qū)⒂兴@人的表現(xiàn)。

給業(yè)內(nèi)的感覺，IBM Q System One讓量子計算的未來已來，也讓量子技術(shù)能夠真正被實踐與應用初次成為了現(xiàn)實。

IBM Q System One成為了世界上首個專為科學和商業(yè)用途設(shè)計的集成通用近似量子計算系統(tǒng)。此外，IBM還宣布計劃于2019年在紐約波基普西市(Poughkeepsie)設(shè)立首個IBM Q量子計算中心，以便更好地服務(wù)于商業(yè)客戶。

另有資料顯示，自2016年5月以來，免費公開的IBM Q Experience目前已擁有超過10萬用戶，用戶在該平臺上運行了超過670多萬次實驗，發(fā)表了130多份第三方研究論文。同時IBM還對開發(fā)者推出了一個可以下載的完整的、開源的量子軟件開發(fā)工具包Qiskit，借助Qiskit創(chuàng)建和運行量子計算程序的次數(shù)現(xiàn)在超過了14萬次，QISKit可以幫助研究社區(qū)最大限度利用量子計算系統(tǒng)的核心。

當然，量子計算領(lǐng)域的突破再突破，也將會在云計算、加密等領(lǐng)域獲得更多的創(chuàng)新，帶來更大的行業(yè)變化，也是非常值得期待的。

 ⊙小結(jié)：

聚焦未來架構(gòu)，迎來后“馮·諾依曼”時代

無論是在量子計算領(lǐng)域的積累與突破，還是在PCM相變存儲領(lǐng)域的發(fā)展與進步，抑或是在閃存和磁帶技術(shù)上的創(chuàng)新和加速，以及對于全同態(tài)加密 (FHE) 技術(shù)領(lǐng)域的進取，這一切的變化，都讓IBM越來越貼近行業(yè)與用戶去思考未來。

在積極迎接云開放與安全的全新發(fā)展未來中，全球科技領(lǐng)域有望步入后“馮·諾依曼”時代。

這樣的改變需要開放、創(chuàng)新的架構(gòu)革新。那么，成功收購紅帽（Red Hat），這充分表明了IBM走向開放開源的決心與信心。聚焦未來架構(gòu)，IBM的這幾大令人期待的黑科技，也就更為令人興奮、令人期待了。