都是物理學家!NV四代GPU架構代號解讀

    泡泡網顯卡頻道9月23日 美國當地時間9月20日至23日，在NVIDIA總部舉辦的GTC2010 GPU技術大會正在如火如荼的進行，NVIDIA公司首席執行官黃仁勛在臺上做了精彩的演講，并且首次披露了Fermi之后的NVIDIA下兩代GPU架構！

    在此次大會上，NVIDIA一改之前對未來產品計劃三緘其口的風格，黃仁勛在此次大會上預告了下兩代GPU架構。繼Tesla（特斯拉）和Fermi（費米）之后，兩款新核心的代號仍然以著名物理學家命名，分別是Kepler（開普勒）和Maxwell（麥克斯韋）。

    按照黃仁勛在會上的描述，2009年推出的費米比2007年的特斯拉（G80）在每瓦雙精度浮點性能上提升了近一倍。而2011年底將推出的開普勒會把雙精度浮點性能提升4倍以上。開普勒會基于28nm工藝制造，引進多項類似CPU的功能特色，比如虛擬內存、Non-blocking（非阻塞）I/O等。再過兩年到了2013年，22nm工藝打造的麥克斯韋就將來臨，每瓦雙精度浮點性能相比費米提高10倍，相比特斯拉提高接近16倍。

    Tesla（特斯拉）、Fermi（費米）、Kepler（開普勒）和Maxwell（麥克斯韋），這四位都是鼎鼎大名的物理學家，相信理工科的同學們一定不會陌生，NVIDIA以這些如雷貫耳的名字命名自己的GPU圖形架構，一方面是為了紀念它們為人類科學所作出的巨大貢獻，另一方面也顯示出GPU計算架構蘊藏的巨大能量，可以幫助人類更高效率的完成科學計算。下面筆者就為大家簡單介紹一下四位科學家的輝煌歷史及貢獻。

    Tesla這個單詞聽著很耳熟，但又有些模糊，如果將其譯成中文“特斯拉”相信很多人都會了解，原來它就是物理學磁感應強度的單位，簡稱特。1特=10000高斯，特斯拉的單位如此之大，以至于核磁共振成像儀的磁感應強度也才1.5特！

    Tesla實際上是一位偉大的物理學家，在他的實驗室中，誕生了100多項專利，他為電磁學的發展作出了偉大貢獻！但是他生前卻遭受了同事的排擠和許多不公正待遇。

    “如今的科學已不再局限在實驗室中，科學家經常會進行計算機仿真。這個基本改變正在為科學研究和工程學的發現建立一種新方法，通過某些情況下幾個小時到幾周時間的節省，GPU通用計算顯示了在高性能計算領域前所未有的重要突破！”——為了紀念這位杰出的天才物理學家，NVIDIA選用了Tesla作為通用計算GPU的品牌。

尼古拉·特斯拉，交流電和無線電之父

    為人類科技進步做出巨大貢獻的科學家都不應該被忘記，下面就來為大家詳細介紹Tesla的其人其事：

    尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla，1856—1943）出生于克羅地亞的史密里安，后加入美國籍。早年在巴黎歐洲大陸愛迪生公司任職，因創造性的勞動，被轉送到美國的愛迪生電器研究中心，與愛迪生（Edison，1847—1931）共同工作。

    特斯拉從小由研究過心理學的母親進行啟蒙教育。他非常喜歡動手制作一些小玩具。據說他五歲的時候，就用竹子做了一個噴水槍。后來他又制造了一個水輪，當他看到水輪能在小河里產生動力的時候激動萬分。1863年特斯拉隨全家遷往戈斯皮契市，轉到城里上小學。

    1870年從大學預科畢業后，考入布拉格大學。在大學里，特斯拉對電學儀器特別愛好，對電話有極濃厚的興趣。大學畢業后，他到布佩斯的一個電話實驗室工作，負責在布拉格和布達佩斯之間建立了一條電話線，實現了兩地之間的第一次通話。

    1882年特斯拉進入設在巴黎的歐洲大陸愛迪生公司工作，兩年后前往美國，在愛迪生手下工作。因為懷才不遇，于1888年到美國發明家威斯廷豪斯(1846-191?)門下進行電氣研究，發明累累，取得不少專利。不久和威斯廷豪斯一起開設特斯拉電氣公司，專門研究交流電。1889年特斯拉加入美國籍，在科羅拉多定居。

    特斯拉在科學技術上的最大貢獻是開創了交流電系統，促進了交流電的廣泛應用。十九世紀末期，在愛迪生的主持下，直流電已經有了相當廣泛的應用。不過在實用中，直流電有很大的缺點，不僅花費大量的銅線，而且不能作遠距離輸電，每平方英里地區需要配備一個獨立的發電機來供電，很不經濟。特斯拉考慮采用交流電系統來代替直流電。交流電系統使用高電壓、小電流供電，然后再用變壓器調節電流、電壓，來適合用戶需要。它的突出優點是可以用細導線實現遠距離電力輸送。但是，這種既經濟又科學的方案一提出，立即遭到愛迪生的強烈反對。出于競爭的需要，愛迪生不擇手段地聲稱：采用交流電比采用直流電危險得多。

    為了打破愛迪生的技術壟斷，特斯拉特地制作了一個“特斯拉線圈”，它是由一個感應圈、兩個大電容器和一個初級線圈僅幾圈的互感器組成。這種裝置可以產生頻率很高的高壓電流，不過這種高壓電的電流極小，對人體不會產生顯著的生理效應。特斯拉在一次記者招待會上，用這種裝置使電流通過自己的身體，點亮燈，甚至還熔化了電線，使在場的記者一個個驚訝得目瞪口呆，取得了極大的宣傳效果。特斯拉的勝利，加速了交流電的推廣使用。現在我們知道，低頻交流電和直流電一樣危險，至于低頻高壓交電流就更加危險，因此千萬不要隨便重復特斯拉的實驗。

    此外，特斯拉制成了第一臺感應電動機，發明了弧光燈，高頻電熱療法、電話“增音機”等。特斯拉在愛迪生門下工作的時候，曾經提出不少合理化建議，產生很大的經濟效果。但是愛迪生妒賢忌能，片面撕毀合同，處處打擊特斯拉。特斯拉熱愛事業，不畏權貴，努力工作，一生總共取得112項專利，并且把賣專利得來的資金用來研究新技術，表現了一個科學家的良好品格。

    特斯拉晚年經濟上經常處于困境，生活艱難。1943年一月七日；他孤獨地在科羅拉多的一家旅館里去世，終年87歲。

    南斯拉夫人民為了紀念他，在貝爾格萊德修建了一座“特斯拉紀念館”。1956年是特斯拉誕生一百周年，國際電氣技術協會決定，把國際單位制中磁感應強度的單位命名為特斯拉，簡稱“特”。

    恩利克?費米（Enrico Fermi 1901.09.29—1954.11.28）。美國物理學家。生于意大利羅馬，1944年費米加入美國籍。創新核裂變假說。用中子轟擊原子核產生人工放射現象，被譽為“中子物理學之父”。主持建造了世界上第一座原子反應堆，實現了自持式鏈式反應，為制造原子彈邁出了決定性的一步，1945年7月16日美國成功的爆炸了世界靠前顆原子彈，是主要參與人之一。

    費米經典名言：要從小把自己鍛煉得身強力壯，能吃苦耐勞，不要嬌滴滴的，到大自然里去遠走高攀吧！ 你知道在這些政治事務上，我對自己的意見沒有完全的把握。」

    “身為意國卻美奔，鈾原裂變起雄心；”——費米是意大利人，但他1938年12月前往斯德哥爾摩，借領諾貝爾獎之機，沒有返回意大利，卻投奔美國。原因是：一是他的妻子是猶太人，意大利法西斯政府頒布出一套粗暴的反對猶太人的法律；二是因為費米強烈反對法西斯主義墨索里尼的獨裁統治。哥倫比亞大學主動為他提供職位，1944年費米加入美國籍。在1939年初，據李澤? 梅特納、奧特?哈爾姆和弗里茨?斯特拉斯曼報導，中子被吸收后有時會引起鈾原子裂變。這項報導發表后，和其他幾位主要的物理學家一樣，費米立即認識到一個裂變的鈾原子可以釋放出足夠的中子來引起一項鏈式反應，而且還和另外幾位物理學家一樣，費米馬上就預見到這樣的鏈式反應可用于軍事目的潛在性，引起了研制制造原子武器的雄心。1939年3月，費米與美國海軍界接觸，希望引起他們對發展原子武器的興趣，美國政府才對原子能給予重視。

鏈式反應理論的提出者

    “聯合上書羅斯福，促成工程曼哈頓；”——時值二戰時期，同盟國懷疑希特勒德國已經制造了原子彈，為了對付希特勒的原子彈，匈裔科學家齊拉特聯合了費米、銀行家沙克斯、著名科學家愛因斯坦，聯合上書美國羅斯福總統，敦促美國制造原子彈。愛因斯坦只是在人家起草好的書上牽了字，是被齊拉特慫恿的，后來他后悔了，但事已促成，后悔晚矣。美國政府接受了建議，制定了制造原子彈的計劃——曼哈頓工程。召集了方方面面的很多科學家，來實施這一工程。

    “核反應堆貢獻大，首顆原彈參與人；”——制造原子彈，首先要建立一個模式原子反應堆，以探明自保持的鏈式反應是否確實可行。由于恩利克?費米是世界上主要的中子權威，且集理論與實驗天才于一身，所以被選為世界靠前臺核反應堆攻關小組組長。1941年底，費米在哥倫比亞大學主持建造了世界上第一座原子反應堆，實現了自持式鏈式反應，為制造原子彈邁出了決定性的一步。1942年12月2日，在芝加哥，費米指導下設計和制造出來的核反應堆首次運轉成功。這是原子時代的真正開端，因為這是人類第一次成功地進行了一次核鏈式反應。試驗成功后，美國即刻做出了全速開展哈曼頓工程計劃，加速了制造原子彈的進程，參加原子彈制造的有：奧本海默（號稱美國原子彈之父）、格羅夫斯、費米、弗利士等著名科學家，不久就制造出原子彈。雖然原子彈不是一個人造出來的，是許多科學家的集體智慧，但是，費米在這項工程中起了著重要的作用：是制造原子彈的首倡者之一，是制造原子彈主要的科學顧問，先是在基礎理論做出了重大的貢獻，隨后又親自指揮第一座核反應堆的設計和建造，對制造世界首顆原子彈做出了重要貢獻。

    “錯領獎金諾貝爾，多項命名記其身。”——1934年，以意大利皇家科學院院士費米為首的一批青年人，用中子轟擊元素周期表上最后一個是92號元素鈾。發現一種新元素，按是原子序數為“93的新元素”。1938年11月10日，也就是“93號元素”發現4年多以后，費米接到來自斯德哥爾摩的電話，瑞典科學院宣布費米獲得諾貝爾物理學獎的獎狀。就在這一年，德國威廉皇家化學研究所的兩位化學家哈恩和斯特拉斯曼，與女物理學家梅特涅合作，試驗用慢中子轟擊鈾元素，而且用化學方法分離和檢驗核反應的產物，獲得了令人難以置信的結果：鈾核在中子的轟擊下，分裂成大致相等的兩半，它們不是93號新元素，而是56號元素鋇！ 1938年11月22日，也就是在諾貝爾獎頒發后的12天，哈恩把分裂原子的報告寄往柏林《自然科學》雜志，該雜志1939年1月便登出了哈恩的論文，推翻了費米的實驗結果。顯而易見，諾貝爾獎搞錯了！費米欣然認錯，表現了難能可貴的品質。他在別人成就的基礎上繼續向前邁進，在裂變理論的基礎上，費米很快提出一種假說：當鈾核裂變時，會放射出中子。這些中子又會擊中其它鈾核，于是就會發生一連串的反應，直到全部原子被分裂。這就是著名的鏈式反應理論。根據這一理論，當裂變一直進行下去時，巨大的能量就將爆發。如果制成炸彈，它理論上的爆炸力是TNT炸藥的2000萬倍！ 鑒于費米在原子物理學上的許多貢獻，很多原子物理學新詞匯都是以他的名命名的：費米子、費米面、費米悖論、費米積分、費米合數、費米能級，費米黃金則、費米液體理論、費米狄拉克方程等。他于1954年去逝。100號化學元素鐨就是為紀念他而命名的。他先后獲得德國普朗克獎章、美國哲學會劉易斯獎學金和美國費米獎。

    牛頓曾說過：“如果說我比別人看得遠些的話，是因為我站在巨人的肩膀上。”開普勒無疑是他所指的巨人之一。

    德國天文學家開普勒提出的行星三大定律徹底推翻了托勒密的地心說，進一步鞏固了哥白尼的日心說，同時糾正了哥白尼有關天體運行軌道的錯誤觀點，使人們對于行星運動的認識得到了明晰的觀念。行星三大定律使得開普勒成為天文學史上的一位巨人，但是，這三大定律的背后卻是一個心酸的故事。

    生活的拮據，給開普勒的天文研究帶來了很多的困難。于是他接受了波西米亞國王兼羅馬皇帝授予的“皇家首席數學師”的頭銜，接受這個頭銜就意味著為皇家服務。當時的波西米亞需要語言命運的人，他們想讓開普勒通過對行星的研究來預言國家的未來。但開普勒憎惡占星術，對他來說，最重要的是研究行星運動的規律，而不是靠所謂的占星術來騙人。迫于生計，開普勒還是成為了國王的占星家，有人評價說這是“人類最偉大的想象力里最卑下的工作”。在為國王占星所得來的這筆錢的資助下，開普勒的天文研究也取得了豐富的成果。1609年開普勒發表了他的《新天文學》，開普勒論證火星的運行軌道是橢圓形的。1619年又在《宇宙和諧論》一書中提出，行星與太陽之間的距離同它繞太陽橢圓形公轉的時間相關。同事他還發現一個有趣的現象，行星的橢圓形運行速度與和諧的音樂相似。因此他在樂譜上計算出行星與太陽的遠近距離。

    開普勒在天文研究中取得的最大成就是提出了三大行星定律，分別是軌道定律、面積定律和周期定律，這三大定律可分別描述為：所有行星分別是在大小不同的橢圓軌道上運行；在同樣的時間里行星向徑在軌道平面上所掃過的面積相等；行星公轉周期的平方與它同太陽距離的立方成正比。這三大定律最終使他贏得了“天空立法者”的美名。

    連年的戰爭，長期漂泊，生活貧困以及來自教會的迫害，不斷困擾著他。在他花甲之年，為向宮庭廷取20余年的欠薪，他長途跋涉去拉提明，于公元1630年11月15日染傷寒死在途中，只留下幾件衣服和一些書籍。

開普勒式望遠鏡和“開普勒”太空望遠鏡

    開普勒式望遠鏡，折射式望遠鏡的一種。物鏡組也為凸透鏡形式，但目鏡組是凸透鏡形式。這種望遠鏡成像是上下左右顛倒的，但視場可以設計的較大，最早由德國科學家開普勒（Johannes Kepler）于1611年發明。為了成正立的像，采用這種設計的某些折射式望遠鏡，特別是多數雙筒望遠鏡引在光路中增加了轉像稜鏡系統。此外，幾乎所有的折射式天文望遠鏡的光學系統為開普勒式。

    折射望遠鏡用透鏡作物鏡的望遠鏡。分為兩種類型：由凹透鏡作目鏡的稱伽利略望遠鏡；由凸透鏡作目鏡的稱開普勒望遠鏡。

    2009年，美國宇航局發射了一艘太空探測器，其上搭載的太空望遠鏡以“開普勒”命名。“開普勒”太空望遠鏡使用壽命超過3年半，在此期間，它將尋找在類日恒星周圍運轉的地球大小的行星蹤跡。另外，它還將對大約10萬顆像類日恒星進行觀測。

　　“開普勒”望遠鏡將通過類似數碼攝像機上使用的特殊探測器，尋找行星從恒星和“開普勒”之間穿過時恒星變暗的跡象，以此來確定行星的位置。“開普勒”望遠鏡所處的太空區域將使其可以在整個任務期間對相同的恒星持續觀測，這是“哈勃”等太空望遠鏡所不具備的功能。

    詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell，1831～1879）英國物理學家，經典電磁理論的奠基人。1831年6月13日出生于愛丁堡。父親受的是法學教育，但思想活躍，愛好科學技術，使他從小就受到科學的熏陶。10歲那年進了愛丁堡中學，由于講話帶有很重的鄉音和衣著不人時，在班上經常被排擠、受譏笑。但在一次全校舉行的數學和詩歌的比賽中，麥克斯韋一人獨得兩個科目的一等獎。他以自己的勤奮和聰穎獲得了同學們的尊敬。他的學習內容逐漸地突破了課本和課堂教學的局限。他的關于卵形曲線畫法的第一篇科學論文發表在《愛丁堡皇家學會會刊》上，他采用的方法比笛卡兒的方法還簡便。那時他僅僅15歲。

    1847年進入愛丁堡大學聽課，專攻數學。但他很重視參加實驗，廣泛涉獵電化學、光學、分子物理學以及機械工程等等。他說：“把數學分析和實驗研究聯合使用得到的物理科學知識，比之一個單純的實驗人員或單純的數學家所具有的知識更加堅實、有益而牢固。”1850年考人劍橋大學，1854年以優異成績畢業并獲得了學位，留校工作。1856年起任蘇格蘭阿伯丁的馬里沙耳學院的自然哲學講座教授，直到1874年。經法拉第舉薦，自1860年起任倫敦皇家學院的物理學和天文學教授。1871年起負責籌劃卡文迪什實驗室，隨后被任命在劍橋大學創辦卡文迪什實驗室并擔任第一任負責人。1879年11月5日麥克斯韋因患癌癥在劍橋逝世，終年僅48歲。

    麥克斯韋一生從事過多方面的物理學研究工作，他最杰出的貢獻是在經典電磁理論方面。在劍橋讀書期間，當麥克斯韋讀過法拉第的《電學實驗研究》之后，立刻被書中的新穎見解所吸引，他敏銳地領會到了法拉第的“力線”和“場”的概念的重要性。但是，他注意到全書竟然無一數學公式，這說明法拉第的學說還缺乏嚴密的理論形式。在其老師威廉·湯姆孫的啟發和幫助下，決心用自己的數學才能來彌補法拉第工作的這一缺陷。

    1855年他發表了第一篇論文《論法拉第的力線》。把法拉第的直觀力學圖象用數學形式表達了出來，文中給出了電流和磁場之間的微分關系式。不久，收到法拉第的來信，贊揚說：“我驚異地發現，這個數學加得很妙！”1860年，29歲的麥克斯韋去拜訪年近70的法拉第，法拉第勉勵麥克斯韋：“不要局限于用數學來解釋已有的見解，而應該突破它。”1861年，麥克斯韋深入分析了變化磁場產生感應電動勢的現象，獨創性地提出了“分子渦旋”和“位移電流”兩個著名假設。這些內容發表在1862年的第二篇論文《論物理力線》中。這兩個假設已不僅僅是法拉第成果的數學反映，而是對法拉第電磁學作出了實質性的增補。1864年12月8日，麥克斯韋在英國皇家學會的集會上宣讀了題為《電磁場的動力學理論》的重要論文，對以前有關電磁現象和理論進行了系統的概括和總結，提出了聯系著電荷、電流和電場、磁場的基本微分方程組。該方程組后來經H.R.赫茲，O.亥維賽和H.A.洛倫茲等人整理和改寫，就成了作為經典電動力學主要基礎的麥克斯韋方程組。這理論所宣告的一個直接的推論在科學史上具有重要意義，即預言了電磁波的存在。交變的電磁場以光速和橫波的形式在空間傳播，這就是電磁波；光就是一種可見的電磁波。電、磁、光的統一，被認為是19世紀科學史上最偉大的綜合之一。1888年，麥克斯韋的預言被H.赫茲所證實。1865年以后，麥克斯韋利用因病離職休養的時間，系統地總結了近百年來電磁學研究的成果，于1873年出版了他的巨著《電磁理論》這部科學名著，內容豐富、形式完備，體現出理論和實驗的一致性，被認為可以和牛頓的《自然哲學的數學原理》交相輝映。麥克斯韋的電磁理論成為經典物理學的重要支柱之一。

    麥克斯韋興趣廣泛，才智過人，他不但是建立各種模型來類比不同物理現象的能手，更是運用數學工具來分析物理問題的大師。他在其他領域中也做出了不少貢獻 。1859年他用統計方法導出了處于熱平衡態中的氣體分子的“麥克斯韋速率分布律”。他用數學方法證明了土星環是由一群離散的衛星聚集而成的。這項研究的論文獲得亞當斯獎；在論文中他運用了200多個方程，由此可見他駕馭數學的高超能力！在色視覺方面他提出了三原色理論。他首先提出了實現彩色攝影的具體方案。他設計的“色陀螺”獲得皇家學會的獎章。麥克斯韋在他生命的最后幾年里，花費了很大氣力整理和出版卡文迪什的遺稿以及創建卡文迪什實驗室，為人類留下又一筆珍貴的科學遺產。■<