隨著計(jì)算應(yīng)用程序變得越來越復(fù)雜和數(shù)據(jù)集不斷增長，計(jì)算對(duì)環(huán)境的影響也在不斷升級(jí) 。從歷史上看，這不是什么大問題，因?yàn)椴粩嘣鲩L的計(jì)算需求被硬件效率的提高所抵消，通俗地稱為摩爾定律 。但隨著硬件改進(jìn)的減弱，另一個(gè)(通常是看不見的)效率來源正在占據(jù)中心位置：改進(jìn)算法 。
我們對(duì)計(jì)算日益增長的需求可以從數(shù)據(jù)中心的激增中看出——它們可以跨越數(shù)百萬平方英尺——并且需要大量電力 。在國際能源機(jī)構(gòu)估計(jì)，數(shù)據(jù)中心占全球能源消耗的百分之一，而所有的0.3%，全球二氧化碳排放量 。如果沒有提高計(jì)算效率的方法，隨著我們?cè)谠絹碓蕉鄠鞲衅鞯氖澜缰薪鉀Q越來越大的大數(shù)據(jù)問題，這些危害將會(huì)增加 。
文章插圖
在最近的一項(xiàng)研究中，Yash Sherry(麻省理工學(xué)院斯隆分校的研究附屬機(jī)構(gòu))和我研究了算法改進(jìn)的速度，并將其與歷史上對(duì)不斷增長的計(jì)算需求最重要的平衡——摩爾定律進(jìn)行了比較 。在計(jì)算機(jī)硬件構(gòu)建塊小型化的推動(dòng)下，摩爾定律在計(jì)算效率方面提供了數(shù)十年的逐年大幅提升 。正如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的提高推動(dòng)了全球人口的增長，硬件生產(chǎn)力的提高推動(dòng)了世界計(jì)算的增長 。
但是，如果摩爾定律是新聞中經(jīng)常出現(xiàn)的浮華兄弟，那么算法改進(jìn)就是幕后工作的兄弟 。
算法是告訴計(jì)算機(jī)要做什么和以什么順序做的食譜 。雖然摩爾定律讓我們的計(jì)算機(jī)每秒可以做更多的操作，但算法的改進(jìn)一直在提供更好的方法來讓每個(gè)操作做更多的事情——而且好處可能是巨大的 。例如，假設(shè)您是 Google 地圖，需要找到人們前往的 1,000 個(gè)熱門地點(diǎn)之間的最短路徑 。使用舊算法進(jìn)行計(jì)算很容易是使用更現(xiàn)代版本的100 萬倍 。我們記錄的另一個(gè)例子是文本匹配，例如搜索引擎在網(wǎng)頁中查找關(guān)鍵字，或者律師搜索法律文件以獲取特定參考 。更好的算法可以輕松地使這樣的搜索比原來快 100 倍，從而減少計(jì)算時(shí)間和能源消耗 。
但是，雖然個(gè)別例子可能令人印象深刻，但我們想要一個(gè)更大的視角 。在這項(xiàng)研究中，我們查閱了 57 部教科書和一千多篇研究論文，以找出計(jì)算機(jī)科學(xué)家認(rèn)為最重要的算法 。從這些中，我們提取了 113 個(gè)不同的“算法家族”(以不同方式解決同一問題的算法集)，這些算法被計(jì)算機(jī)科學(xué)教科書強(qiáng)調(diào)為最重要的 。對(duì)于 113 個(gè)中的每一個(gè)，從 1940 年代到現(xiàn)在，我們每次都針對(duì)該問題提出新算法時(shí)進(jìn)行跟蹤 。
那么算法改進(jìn)與硬件改進(jìn)相比如何呢?對(duì)于大數(shù)據(jù)問題，43% 的算法家族的同比改進(jìn)等于或大于摩爾定律的收益 。其中，14% 的改進(jìn)大大超過了來自更好硬件的改進(jìn) 。這些改進(jìn)徹底改變了這些領(lǐng)域的可行性，使得以硬件改進(jìn)無法解決的方式解決問題成為可能 。對(duì)于我們當(dāng)前數(shù)據(jù)量不斷增加的時(shí)代，同樣重要的是算法改進(jìn)帶來的收益越大，解決的問題就越大 。
處于計(jì)算前沿的企業(yè)和研究實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)在響應(yīng)投資于更好算法的需求 。中等組織將 6% 到 10% 的 IT 開發(fā)人員用于創(chuàng)建新算法，將 11% 到 20% 用于改進(jìn)現(xiàn)有算法，這代表了非常可觀的投資 。習(xí)慣于僅通過購買新硬件來改進(jìn)計(jì)算的其他組織，將越來越需要跟隨這些算法旗手的引領(lǐng)以保持競爭力 。
算法日益重要是推動(dòng)計(jì)算進(jìn)步的更大變化的一部分 。從歷史上看，改進(jìn)以硬件為中心，但隨著摩爾定律的終結(jié)，這種情況正在發(fā)生變化 。相反，算法改進(jìn)將越來越多地走在前沿，為解決新的、更難的計(jì)算問題提供引擎 。
但推動(dòng)計(jì)算的前沿只是更好算法的好處之一，另一個(gè)是效率 。對(duì)于政府或?qū)W術(shù)界人士，或者只是那些關(guān)心計(jì)算可持續(xù)性的人來說，更好的算法是一個(gè)理想的選擇：讓我們能夠獲得相同的結(jié)果，但大大降低了環(huán)境成本 。
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