全可编程视角下的未来十年

未来的世界什么样?

三维重构音乐会

很多人喜欢“维也纳新年音乐会”。这两年的音乐会，现场有很多人拿着移动设备拍摄。未来十年，这些信息会传输到云端，它们能做的事情就太多了，例如，我们可以在云端重构一个三维的虚拟现场，你可以用你的鼠标在任意角度飞行，一直飞到演奏的小提琴手那去，去看它的视频。因为每个人都在从各个角度替你在观察这个人，所以一定可以做一个三维的东西，而且是实时的，使你看得比在场的人还清楚。而现场的人辛苦地举着摄像头，都是在为你服务的。

球场观众戴着Google眼镜

2020年，巨大的体育场里面坐满了观众，很多人戴着Google眼镜，每个人的眼睛都在看着球场，当然你可以三维重构球场，可是还进一步，观众希望通过Google眼镜看到正在跑动的运动员的更多信息，诸如他的力量值、体力值、经验、姓名，以及他刚刚射门，射门的总次数，这些都可以实时地在这个人的体像上进行叠加。

这就是今后十年业界准备做的事。我们的教学和科研就是为这一天的到来而准备的，而且一定要很快地到那个点去。那么这个点是什么呢?

关键的1ms

要想预测，我们一定要学哲学。哲学告诉我们，我们整天忙碌，就是为了给人类提供更好的服务。我们用电子信息手段可以提供什么服务?例如1秒钟(s)可敲击一次键盘;100ms可以听音乐;10ms可以看视频;如果是1ms，就是你的神经和力量的控制时间，比如你用手碰到电风扇，手会马上缩回来，这个反应速度是1ms。所以我们接下来要做的，就是能够在1ms时间内做很多事情。

举个简单的例子，如果我们通过网络的云计算在1ms之内做出决策，应用在我们的汽车上，汽车可以在没有红绿灯的情况下，用无线方式互相通讯，如果车快撞上，用1ms的时间刹车或马上加速，这就是无人驾驶汽车。如果有行人，由于行人有手机，手机会发出信号，汽车开过来时就会自动减速，让行人走过去。这是一个无损的理想应用，也就是所谓的未来的智能交通。

其实，这里面有一个很大的问题，汽车之间互相通讯用1ms的时间，我们肯定要用云端来控制，那么云是不是可以随便放的呢?假设汽车在上海，我是不是可以用在北京的云来得到智能服务?答案是不行。因为光一秒钟也就跑三十万公里，1ms光能跑300公里，还要考虑打个来回，即150公里，也就相当于上海到无锡的距离。所以在设计无线接入网的时候，云计算必须是一个分布式的云，应该到处都有，物理上应该是像基站一样普遍的云。

上述仅仅是光在路程上的时间。其实计算的任务也很繁重(图1)，因为你要做嵌入式计算，要进行图像、视频等的处理，还要调制解调、加密、软件、可靠性，所以每个阶段只有零点几毫秒的预算了。因此业界的另一挑战是大量的数据要实时地在零点几毫秒内做完。

CPS(信息物理系统)

我本人不太喜欢物联网(IoT)这个词，因为它暗示只要把传感器像互联网一样连起来，收集数据，这事就结了。实际上你得到了一大堆数据是没用的，真正有用的是拿到数据之后，还要反馈回来做控制，所以我更喜欢CPS(Cyber Physical System)这个词，即信息物理系统，意思是要把物理系统能够与信息系统结合到一起，形成一个闭环，能够让信息系统影响物理系统。实际上我国说的信息化改造工业化也是这个意思。

摩尔定律难以解决性能和功耗问题

为什么后十年我们做得到呢?来看看微电子业的摩尔定律。摩尔定律不停地发展，现在已经到20纳米，未来的路线图已到3.5纳米。摩尔定律要解决什么样的问题呢?就是漏电问题。像水管一样，一个开关如果关得不牢，就要漏水，如果一个晶体管设计得不好，它就会漏电。现在“水龙头”越做越薄，一定会有“漏水”现象，整个工业界正在做的就是如何把开关关紧。

现在用体硅和绝缘体上硅(SOI)(图2)，还有FinFet(鳍式)、SOI FinFet，最后是全包围，来把电流夹断。

目前Xilinx在20纳米节点，很快会推出14/16纳米芯片。摩尔定律在今后至少十年还是适用的，所以在器件方面，我们不用太着急。

但是摩尔定律每年指望它性能翻番遇到了严峻的挑战。不是说摩尔定律有了，跟着它每年就自动获得计算能力，这件事过去是这样的，但是最近行不通了。整个业界面临着两个挑战，一个叫性能，一个叫功耗。

现在一个芯片里面可以集成越来越多的晶体管，可是晶体管如果都工作起来，消耗的电流特别大，大到最后你如果按照这个曲线走的话(如图3)，单位面积上的功耗会超过核电站的功耗，甚至是火箭、太阳表面的功耗，因此芯片会烧坏，这就是所谓的暗硅(Dark Silicon)。

所以一定要让硅片上的晶体管不能同时工作，那怎么办呢?答