数据中心投资与超算性能跃升 数字单位迈向Yotta时代

今年以来，有关数据中心大型投资的报道几乎每天见诸报端。投资规模之巨令人震惊，而表示投资额的数字单位似乎也比以往更大。对于部分人士担忧AI投资是否属于“循环投资”，IMF（国际货币基金组织）最近公布的资料称，按AI企业自有资金、股票、公司债等合计，投资总额将达到1.4万亿美元（220万亿日元）。

半导体领域的大型投资项目也在增加。在近期公布的日本对美投融资项目的一部分中，GlobalFoundries（GF）计划在美国纽约州建设新工厂，投资总额最高为210亿美元（3.3万亿日元）。文章作者认为，与自己在职时相比，这一数字似乎提高了一个数量级。文章由此探讨社会上常见的数字单位。

数据中心与晶圆厂建设投资：数字单位越来越大

看到巨额投资时，人们往往难以立刻判断其规模。此时可借助身边数字作比较：日本国家预算约为150万亿日元；最近因“从世界第四降至第六”而成为话题的GDP，按2027年预测为4.5万亿美元（约700万亿日元）。把这些具体数字拿来对比，也不失为一种头脑体操。

对日本人而言，麻烦之处在于需要换算美元和日元。过去1美元=100日元，可以直观计算；现在换算成日元要乘以约1.5，必须做简单计算。

美元计价时，单位包括Million（百万）、Billion（十亿）、Trillion（万亿）。若按零的个数追踪，美元每三位加一个逗号，日元每四位加一个逗号，非常容易混淆，因此作者在看报道感到混乱时，会使用日元/美元对照表。

数字单位不断变大的并不只是数据中心投资额。超级计算机的计算能力也逐年飞跃提升。

超算性能：从Mega FLOPS到Quetta FLOPS

超级计算机的计算性能主要以FLOPS（每秒可执行的浮点运算次数）表示。早期活跃于该领域的美国计算机设计者Seymour Cray，在CDC（Control Data Corp.）和Cray Computer开发超算时，性能单位从早期的Mega（100万次）FLOPS起步；到1970年代，随着向量运算方法的引入，进入Giga（10亿次）FLOPS时代。Cray对超算开发技术的贡献，至今仍以颁发给优秀超算设计者的“Seymour Cray奖”留名。

此后，1990年代出现将Intel、AMD等通用CPU大量连接成集群的潮流，把专用处理器的开发费用转向增加通用CPU数量，性能进一步提升，迎来Tera（1兆次，即万亿次，10^12）FLOPS时代。之后，日本NEC等主导开发了采用专用向量处理器的超级计算机“地球模拟器”（Earth Simulator），在一段时间内保持Tera FLOPS时代顶峰。但IBM于2008年发布的超级计算机“Roadrunner”达到Peta（1000兆次，10^15）FLOPS水平，由此进入Peta时代。

在Peta时代，日本产业技术综合研究所（产总研）于2011年发布超级计算机“京”（“京”为10 Peta）。这一时期，中国积极加入日美超算开发竞争，开发竞争进一步升温。

进入2020年代，超级计算机迎来新的趋势。除纯科学计算所需的双精度浮点运算外，AI处理中常用的低精度运算（AI FLOPS）重要性上升，峰值性能值骤然提高。目前已经进入下一个大关——Exa/Zeta FLOPS（Exa为10^18，Zeta为10^21）时代。

在今年的美国CES展会上，AMD CEO Lisa Su在主题演讲中表示，“今后5年世界所需的计算能力将达到10 Yotta FLOPS”，引发关注。Yotta（尧它）是排在Zeta之后的数字单位，用阿拉伯数字表示就是10^24，是个惊人的数字。基于这一背景，国际计量大会（CGPM）于2022年又增加两个更大的单位：表示10^27的Ronna（容那）和表示10^30的Quetta（昆塔）。据称，这些单位设想用于全球数据总量、行星重量等。到了这个层级，已经是让人感到天文学浪漫的巨大数字。

半导体制造工艺与性能：从微米到纳米、埃

如果说数据中心投资和超算性能重视的是“大”，那么半导体微细加工技术重视的就是“小”。业界所称的“设计规则”，粗略说就是刻在硅片上的电路线宽；这一数值越小，价值越高。

当前可量产的微细加工是TSMC的2nm（纳米）规则，其技术发展速度十分惊人。文章作者在职时的约20年前，设计规则单位主要是μ（微米）。1μ等于1mm的千分之一。2000年初是“亚微米时代”，即数值低于1μm；就逻辑工艺而言，从0.8μm开始，迅速推进到0.65/0.35μm。

当时作者在AMD负责媒体沟通，经常被问到“如何用身边例子解释这些不熟悉的数字单位”，于是请美国总部的工程师做了简单计算。对方给出的答案是：“例如0.35μm，就是在用于昆虫采集标本的针头大小的面积上，细致印出带街道名称的纽约市区地图的技术。”这一比喻是否准确并不确定，但作者此后多次使用。无论如何，亚微米时代早已过去，现在微细加工已不再用μ（微米）表述。最先进的“2nm”纳米是微米的千分之一，可见其世界极其细微。再往前是Å（埃），这是分子/原子级别的单位；它并未被前述国际计量大会（CGPM）正式认可，据说是科学界以便利为目的、以瑞典物理学家名字命名的单位。微细加工技术的进展，带来的是硅芯片上集成的惊人数量晶体管。目前被视为最复杂逻辑半导体芯片的NVIDIA“Vera Rubin（CPU＋GPU）”，据称集成了6万亿个晶体管。

AMD于1991年发布的Am386芯片，是作为Intel 80386（通称i386）兼容CPU推出的，晶体管数约为40万个。该芯片有一个故事：AMD不依赖Intel提供的设计信息，而是从80386芯片的放大照片中目视推导逻辑设计，从而完成独立设计。如今这已成为“美好旧时代”的回忆。

即便现在，半导体技术仍在不断瞄准“下一个单位”。