11/15 全球首顆微處理器問世半世紀,至今晶片運算能力成長 10 億倍

作者 | 發布日期 2021 年 11 月 15 日 16:15 | 分類 GPU , IC 設計 , 手機 Telegram share ! follow us in feedly


2021 年 11 月 15 日是英特爾 4004 微處理器問世 50 週年的日子。1971 年 11 月 15 日,世界首款微處理器英特爾 4004 微處理器問世,隨之改變了世界。可以說,自 1971 年以來人類創造的大部分財富都是英特爾 4004 微處理器發明後,所帶來的一系列改變成果。因為,從英特爾 4004 微處理器以來,微處理器將電腦從裝有笨重冷卻設備的房間中被釋放出來,將計算能力釋放到每個最需要的地方。從那以後,人們的生活水準開始翻倍提高。

在 1971 年當時,IBM 的大型電腦都放置在密閉房間裡,而且價格非常昂貴。另外,IBM 在放置大型電腦主機的房間內還採用氬氣,而不是水來防止電腦機房火災。當時,工程師們被告知在接到火災警報的情況下立即撤離,以免吸入滅火毒氣而使他們窒息。還有,電腦運算時需要向讀卡器輸入一疊打孔卡片,並透過笨重的電傳打字機輸入簡單的命令,這就是當時工程師與 IBM 大型電腦主機交流的唯一方式。

1969 年,日本電腦公司 Nippon Calculating Machine 要求英特爾為旗下一種新的列印計算機設計 12 片客製化晶片。英特爾工程師 Federico Faggin、Stanley Mazor 和 Ted Hoff 在厭倦為不同公司設計不同晶片的情況下,建議將晶片種類改成四種,其中包括一種可用於多種產品的可程式化晶片。之後,這些工程師只用 2,300 個電晶體就開發出英特爾 4004 微處理器,當時的這款微處理器有 4 位元,運算時脈為 750 千赫茲,每秒可以做大約 92,000 次運算。

英特爾在 1972 年又推出了 8 位元的 8008 微處理器,內置 3,500 個電晶體。1978 年再發表 16 位元的 8086 微處理器,包含 29,000 個電晶體,每秒可進行 71 萬次運算。這時,IBM 在第一台個人電腦就是選用的英特爾之後發表,並改良自 8086 微處理器的新款 8088 微處理器。相比之下,現在蘋果新款 M1 Max 處理器擁有 570 億個電晶體,每秒可執行 10.4 兆次浮點運算,這代表著電腦運算能力在 50 年內至少成長了 10 億倍。

現在,微處理器可以說是人類智慧的微型引擎,其搭載這些微處理器的產品多達數十億台,而且每年都會讓體積變得更小、運算速度更快、能耗也變得更低。如今的汽車通常需要多達 50 個以上微處理器才能上路。這也導致目前的全球晶片短缺問題,讓許多車輛都在等待晶片道或安裝才能出廠上路。

另外,由微處理器所帶動的行動運算技術更是為智慧型手機、機器人、自駕車、IOT 感測器、甚至是 GPS 提供了發展道路,藉此創造出一個能無限更新的世界,藉由無需調整硬體的情況下來修復問題,甚至推出新功能。由此而來的硬體和軟體分離,設計和控制分離建立起全球供應鏈。在這些微處理器的發展之下,可說是 1971 年以來人類所創造的大部分財富,都是英特爾 4004 微處理器開發出來後一系列造成的結果。例如,當前所有零售商透過大型商超的智慧庫存系統了解銷售情況,甚至是所有資源開採也都離不開搭載微處理器的智慧機器進行輔助。

只是,在微處理器問世 50 週年後的今天,大家都想問微處理器的發展是否達到了極限。因為在過去的 20 年時間裡,微處理器透過在每個晶片上增加更多計算核心來提高性能。例如蘋果 M1 處理器有 16 個核心。另外,通常用於人工智慧或虛擬貨幣挖礦的 GPU 更具備有有數千個處理器核心。對此,科學家們預期,總有一天,Gordon Moore 於 1965 年提出的摩爾定律將不再適用。也總有一天,John von Neumann 於 1945 年首次提出的處理器和記憶體架構將不再滿足計算需求。但所幸,人類目前還有時間從當前的晶片技術和電腦架構中取得更多的發展可能性。

總歸來說,運算領域並非一成不變的。無論是亞馬遜 Alexa 用來辨識聲音的神經網路,還是 Google 用來辨識照片中人臉的神經網路,未來都無法取代微處理器的功能,而它們可能進一步成為互補技術,使電腦運算在接下來的 50 年中將不斷發展壯大。當前,Google 即將推出下一代人工智慧晶片 Tensor,這可能成為能放進口袋裡的人工智慧加速器核心,並成為個人專屬的神經網路。至於,人們能用它來做什麼,這個問題就像當年第一次英特爾 4004 微處理器開發出來之際,被問到除了計算機之外,微處理器還會被用來做什麼一般。未來的發展,可能在不同人的身上,能獲得的答案也將差別千萬里。

(首圖來源:英特爾)