SAI赛热科技CEO李日升:未来能源的突破点在于电能效率再进化

1900年普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难,引入了能量子概念,为量子理论奠定了基石。随后,爱因斯坦针对光电效应实验与经典理论的矛盾,提出了光量子假说,并在固体比热问题上成功地运用了能量子概念,为量子理论的发展打开了局面。

 

我们之前提出一个宏观视角即从熵的角度理解计算:计算可以认为是以电能和原始数据为原材料,把无序数据变得有序和价值化的熵减行为,计算需求与能源消耗是一一对应的。

那在微观世界的计算行为是什么样的呢?我们把计算分为三个主要过程,即电能传递、芯片计算、热能耗散。基于量子理论,我们拓展出了新的视角:

首先,电能通过电线传递给芯片,这个过程是由电子来完成的,基于量子理论,实际上可以理解为环绕金属原子的电子在能量的驱动下从导线的一头向另一头依次发生跃迁而间接的实现了能量的快速传递。

然后,芯片利用电能完成了计算任务,这个过程中芯片的软件算法和硬件结构可以理解为对能源的消耗进行编码,按照编码方式消耗掉电能就可以得出预先想要的一个结果。

最后,芯片完成计算后会产生热,宏观世界的表现是通过芯片100%的电能变成99.9%以上的热能和很小一部分电磁波,而在微观世界里就是驱动电子不断跃迁变化的能量由于性质发生变化无法使金属原子周围的电子继续跃迁而以热能形式传递到周围环境(空气)中去。

基于量子理论和相对论,我们可以对很多早期的物理概念进行延伸:质量守恒就是能量守恒,各种粒子(原子、电子、光子)都是能量的不同表现形式,所有能量的变化都倾向于转变成热能而趋于稳定。

回到宏观世界,我们知道社会的发展本质上都是靠能量推动(蒸汽-电力),科技的进步本质上就是发现更多的能量并提升能量的利用效率,计算和算力作为更高效的能量利用方式必将在未来社会发展中的作用越来越大。在工业革命时代伴随着石油的发现和利用,在商业世界诞生了有史以来最大的巨头——标准石油特拉斯,我们相信在未来一定会产生一个同样的巨头为计算提供能源服务。

当前社会对能源的需求主要表现在电力、石油和热力,这些是支撑社会正常运行和人类正常生活的基础要素,但很多人还没有察觉的是现在我们对算力的需求已经无处不在,手机、网络、软件等各项服务都是基于算力实现,而且对算力的需求在指数级增长,这也正是我们国家提出“新基建”的重要之处。

除了不但寻找更多的能源供给(例如清洁能源),能源作为一种有限稀缺资源,我们一直以来都想尽一切办法提升使用效率,所以我们看到新技术在各个领域不断出现,在计算领域也一样:芯片也在不断进化来降低功耗比。随着技术和成本的瓶颈,除了提升效率外,能源再利用也越来越被重视。所以我们在工业领域看到了高品位热的余热利用,那在计算领域是否有这样的机会?答案是肯定的!因为人们对算力的需求同时,背后是对电力的大量需求并产生对应数量的热量,这些热量以往需要消耗更多的电力去散热,现在我们可以把它们收集起来其满足热力需求,这样既实现了能源的二次利用又降低了各方需求的成本。

从量子理论的视角,人们对基于电力的热量需求本质上就是电子的电能转变成热能的过程,芯片计算很有可能是实现这一路径的最优过程,因为可以既完成计算任务又解决芯片的散热需求和人们的供热需求

按照我们之前的能源利润效率理论,能源利润效率(Efficiency of Energy Profit)EPE=(收入-能源成本)/ 时间,社会会向能源利润效率不断提升的方向进化。例如,互联网和移动互联网已经将大量的信息通过网络传递,这样既节约了信息传递的成本又缩短了传递时间,同时巨大的算力又可以快速处理海量的数据得到更有价值的信息,这无疑大大提升了能源利润效率。

如果要想再进一步提升能源利润效率,社会该如何进化?反观我们现实生活的痛点,主要表现在两方面:1. 时间和空间还是人类活动的最大局限;2. 算力增速还是无法满足指数级增长的计算需求。

从马车到高铁飞机再到宇宙飞船,人类的活动空间和位移速度大大增加,移动所需的时间也随着技术的进步被逐步缩短,但是飞机还是会晚点,从北京到纽约还是需要半天的时间;互联网链 接和存储了世界各地海量的信息,强大的搜索引擎可以让你随时随地知道全世界发生的几乎所有事情,但是人与人之间和人与机器之间的信息传递还是需要不同的语言经过编译、理解转化为对方可以理解的有效信息;超级计算机可以解决很多以往人类无法解决的难题,AlphaGo可以战胜人类围棋大师,但是还是无法计算出整个30亿个碱基对组成的基因序列的内在奥秘以及宇宙中无数恒星的演化问题;科技尤其是医学的进步大大延长了当代人类的平均寿命,但是每个人还是面临衰老和死亡,而一旦死亡,大脑中所有的信息和意识将无法存储和延续。

从生物学角度,人类大脑的处理流程与计算机类似,是一个由不同的信号(视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉)输入大脑,按照不同的编译程序(逻辑思维)处理,并将结果输出的过程,这个处理的过程可以用仪器检测到不同电信号的变化;同样,一个小小的DNA储存了海量的生物信息,在足够能量的支持下可以最终编译表达出一个完整的具有意识的人类个体。正如电影《超验骇客》中的剧情一样,我们不禁联想,如果有足够的强的算力和足够先进的脑机接口技术,人类是否就可以将意识转移,以此突破了碳基生命的时间和空间边界,基于更加强大的算力在硅基世界无限畅游?

回到当下,我们要思考的是,即使这样的平行世界终有一天可以变为现实,那么推动它实现的必备要素有哪些?我们认为,无论是现实世界的进一步进化,还是平行世界的最终实现,都有三个最基础的必备要素:

1.算力

随着时间的推移,我们将会不断产生天量的数据,需要越来越强大的算力来处理这些数据并产生更有价值的信息。算力正在实现全方位的传统替代:信息的处理(手工到计算机),信息的传递(车马到网络),价值的传递(黄金法币到数字资产),强大的算力可以在相同时间内处理更大数量的数据,同时降低处理相同数量数据所消耗的时间和能量。算力强大到一定程度,可以瞬间模拟出整个地球的全部细节,小到其中某一户居民窗台的一粒灰尘,并可以计算出全部可能的变化方向包括这粒灰尘应该飘落的地方。

算力是基于电力和热力的,芯片和其所集成的算法就像是一种编译过的能量使用说明,利用电力将数据按照设定好的方式处理并反馈结果,同时电能也被全部转化成热能散发到空气中。

2.电力

电力清洁可持续、易存储易传输、高能量密度的特性,使其成为应用前景最广的二次能源。从互联网信息的传递,到电动汽车和机械手臂,电力既是数字世界的源动力,也在逐步成为现实世界的核心驱动力。全世界都在集中力量推动清洁发电和电能替代的全面普及,光伏电、风电、水电作为清洁可持续的发电方式,将会逐步成为发电的主要途径。

按照目前的发展趋势,电力将成为最核心的终端消费能源,同时作为算力的基础,不断增长的算力一定要消耗更多的电力,因此电力生产消费相关的每个环节(发电、输电、储电、耗电)都有很大空间进一步优化。

3.热力

热力学定理延伸开,我们会发现人类自始至终都在解决热力的问题:人类从食物中汲取碳水化合物,在体内分解为能量维持生命的延续;远古时期通过火的加热让蛋白质更容易消化吸收,推动原始人类智力的提升;生物的生存需要取暖和热水,热力的使用扩展了生物在寒冷地带的生存边界,农作物冬天可以在暖棚中继续生长,人类甚至可以在接近于绝对零度的宇宙空间翱翔;火力发电是利用燃料产生的热量推动涡轮的旋转,但还面临着机组冷却的严峻问题;电力传输要尽可能地减少阻力,电阻过大将会导致电力传输中转变成大量的热,既是电力的浪费又造成火灾的风险;芯片计算产生的大量热量,需要快速的散掉以保证芯片能够继续稳定工作。

更高效的散热方式和更低成本的热量供给,将会继续贯穿人类社会的发展进步,也是能源利润效率提升的必由之路。

我们SAI赛热科技基于这样的理念,不断进行技术研发和商业探索,推出了我们的产品SAI算能中心,基于芯片能源科技降低算力、热力、电力三大核心成本。SAI算能中心可以实现算力、热力、电力的三网联供并组成一张大的算能网,分布在城市各个区域和全球各个地方。相信通过我们的不断努力,我们能够通过SAI算能中心为更多的人降低算力、电力、热力成本,为社会创造更多价值。期待未来科技的进步,人类可以在算力、电力、热力方面实现巨大飞跃,让每个人都能使用到更加清洁实惠的算力、电力和热力资源,并基于此能够真正有机会实现更加完美优越的平行世界。

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