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為甚麼超級電腦的成長速度不若過去快速?

PanSci_96
・2016/03/09 ・1645字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 552 ・八年級

文/喻守謙

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IBM的超級電腦Blue Gene。圖/wikipedia

2015 年國際「TOP500 計畫」在德國舉行的國際超級電腦大會上,發表全球最新超級電腦 500 強排名。雖然排名前端的超級電腦,皆已經可以達到每秒運算千兆次的速度,但事實上超級電腦計算能力成長的幅度並不像過去那麼快速,成長放緩的原因可能涉及許多技術難關及成本考量。

超級電腦還在成長,但成長的很慢

眾所皆知,超級電腦的開發根基於 INTEL 創始人之一戈登·摩爾所提出的摩爾定律,他預測單一積體電路上可容納的電晶體數目,約每隔2年便會增加一倍,造成性能呈指數增長。在大多數情況下,市場大多遵循著這套曲線。

在超級電腦方面,過去前 500 強的電腦性能幾乎每年翻倍成長。然而從前幾年開始,成長的幅度漸漸下降。從 2008 年到 2013 年左右,運算速度增長的幅度約在 22%-66% 左右,但今年上榜的電腦中,只比去年同期增長了約 17% 左右。

成長的停滯跡像不只出現在榜單的頂部,榜單底部的電腦也有漸緩的趨勢。就過去的經驗來看,榜單底部的電腦處理速度的增幅應該要持續高於排名靠前的電腦。但從下圖中,我們可以看出在過去的幾年中增速的變化趨勢。排名第 1 和第 500 的電腦間運算能力差距正在逐漸擴大。

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也就是說,雖然還是有新的超級電腦誕生,但出現的頻率已經沒有過去那麼高,且榜單底端的電腦也沒有維持足夠的成長速度。

甚麼趨勢導致成長放緩?

摩爾定律走到盡頭

IBM 數據中心高級經理 John Gunnels 提到,如果你沒辦法像過去一樣保持芯片縮小的幅度與速度,那麼當然沒辦法像過去一樣提高效能,因為晶元的幾何尺寸總不可能無限制地縮小下去。半導體產業似乎已經走到極限,今日的晶體管已經縮小到原子級別,芯片設計師們不得不在已十分優越的多核芯片上不斷推翻、重新設計,每一次的升級,都讓難度變得更大。於此同時,IBM 研究人員正試圖利用矽鍺晶體管取代純矽,並利用極紫外光(EUV)雕刻技術打造僅 7 奈米的芯片,希望在未來四年維持摩爾定律。

摩爾定律。圖/wikipedia
摩爾定律。圖/wikipedia

除了純科學技術上的問題,更大的問題是經濟上的阻力,高昂的電力消費與天價的開發成本才是減緩相關產業成長的原因。當芯片對尺寸的要求縮小到一定程度,晶圓廠的成本甚至可能會高過核電廠,除了大型科技公司以外,恐怕沒有多少公司能負擔。例如 Intel 過去的 14 nm 晶片工廠,便花費了五十億美元,上述 IBM 的新型晶片,在量產前投資額就高達 30 億美元。Gunnels 認為,他相信有人能做出性能更高的超級電腦,但不見得有相對應的權力與金錢能夠支撐這項事業,例如美國政府近年來也縮小了對超級電腦的資金投資規模。

當然,除了一味追求更小的半導體體積外,市場上還有其他技術可以增加運算效率。如 3D 邏輯閘,多層晶片,低電壓低電阻晶圓等等,但這些技術也有自身的限制,沒辦法立即帶來像如同縮小體積般顯著的指數型成長,頂多讓半導體產業維繫接下來 10 年的光景。換句話說,科技巨頭們只能趕在這段時間去尋找能矽半導體的替代品,雖然有不少可能的方向,例如奈米碳管、超導體、量子電腦等等,但這些技術也都尚未完全成熟,是否真的能在近年扭轉頹勢,還有待觀察。

未來發展-你的舊電腦不再過氣的那麼快?

縱使成長放緩,美國科學界仍希望能在 2020 年達到每秒百萬兆次的運算速度,但田納西大學的電腦科學教授 Jack Dongarra(超級電腦前 500 名榜單中的常客)則認為保守估計也得等到 2023 年才能實現,日本與中國方面則較積極地想搶在 2020 達成這項目標。

在未來,首要受到影響的就是需要動用超級電腦的產業,例如國家級的氣象預測與氣候模型架構、新世代的雲端產業網路架構等等。對一般民眾而言,過去我們已經習慣芯片的高速淘汰與成長,未來或許也會開始查覺到這波放緩的趨勢,簡單來說,你會發現你的舊電腦似乎不會過氣的那麼快。

(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫-智慧生活與前沿科技科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

責任編輯:鄭國威
審校:陳妤寧

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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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科技魅癮_96
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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》