人类正在生成的数据量超出了它的处理能力。越来越多的各种类型的传感器，智能手机和设备每天都在上网，并为不断增长的全球数据集做出了贡献。实际上，仅今年我们将生成的数据量估计就徘徊在40 ZB左右(即比国会图书馆中包含的数据多25亿倍)。相比之下，2010年生产的Zettabyte大约为1 Zettabyte，不难看出我们淹没在数据中。

当然，这是有价值的信息，但是对于我们当前的计算和带宽功能来说，这实在太多了。而且，随着物联网和5G等其他大型网络的出现，情况只会变得更糟，除了具备强大的连接性和通信能力之外，这些网络还需要实时智能数据处理。

但是不要担心：一种被称为“边缘计算”的有前途的解决方案正在出现。

这个想法是，将数据存储和分析得更靠近设备或仪器，而不是将数据发送到更远的地方，可以更快，更有效地进行数据分析。这种能力将使我们能够有效地分析这些信息，进而找到解决我们一些最紧迫问题的解决方案，这些问题包括从交通拥堵到疾病蔓延再到清洁能源的替代方案。

但是，要真正发挥作用，必须要有一些重大的技术进步。值得庆幸的是，ORNL研究人员Ali Passian和Neena Imam对边缘计算领域以及新颖的纳米级技术进行了调查，以更好地了解如何同时推进边缘计算和纳米科学以促进科学进步。他们的 工作 发表在《传感器》杂志上 。

他们得出结论，答案在于开发纳米​​级及以后的下一代材料。

研究人员正在以越来越小的规模来操纵材料，以创造独特的行为，无论是量子行为还是经典行为，都可能导致互连，处理器和晶体管的功能比当今强大得多。

例如，已经证明了在分子和原子尺度上进行的计算，但是需要将它们进行大规模地放大才能实用。新型信息载体，例如天蝎子(具有新颖磁性特性的粒子)，可能会彻底改变数据传输的方式。

ORNL量子信息科学小组的研究科学家Passian说：“围绕边缘计算的所有炒作为纳米系统的研发提供了绝佳的机会，这对于无数个边缘设备的完整，安全的网络是必需的。” “要使边缘计算成功，就必须首先开发下一代纳米系统。”

追求低功率传感器，信号生成设备和阵列，节能高效的安全计算，存储和快速通信过程，可能不会导致技术进步，即使在现代历史上也很少见到。

相同技术，不同规模

边缘计算的想法源于云计算的局限性，并且很大程度上是电信和IT需求的结果。但是随着数据的增长，边缘计算的潜力也将转变为科学查询。

然而，整个社会中传感器的爆炸式增长带来了边缘计算带来的带宽，延迟和存储问题。

解决这些挑战的方法之一是在新兴的人工智能领域，这对于管理边缘设备和控制跨各种网络的流量至关重要。通过将高性能处理器与内置的AI集成在一起，边缘计算可以执行本地决策，并且仅将相关数据发送到云，从而提高了各种网络的性能。云中的AI还可以控制边缘设备的功能。

就像高性能计算已经指导了AI的发展一样，它也将在指导边缘计算的发展中发挥作用。例如，边缘设备的建模和仿真至关重要，HPC技术也显示出在边缘设备上使用的巨大希望。

这也是一件好事，因为数据中心和超级计算机的能源消耗正在快速增长，从而增加了对新型架构和技术的需求。节能微处理器对于HPC的发展以及未来的边缘设备至关重要。就像超级计算机被期望快速，安全并且使用尽可能少的功率一样，边缘计算设备也可以做到同样的事情，尽管规模相差很大。

但是，两者都需要纳米技术的重大进步才能发挥其潜力。“边缘计算和纳米系统可能成为一个实体，设备和功能可以动态地相互作用，” Passian说。

生活在物质世界中

估计自然界中所有材料的大约27%是拓扑结构，因此它们使电或光不受阻碍或反向散射地不受阻碍地移动。这些材料展现出独特的量子特性，这是纳米科学家和工程师非常感兴趣的，因为它们具有在整个计算和数据领域提升能力的潜力。

量子效应在网络和传感领域也显示出希望。例如，帕西安(Passian)和伊玛目(Imam)写道，量子效应已被证明可以在自由空间通道中将信息传送到大约1400公里，这种现象将极大地有利于边缘计算和传感。

但是，也许最重要的是，边缘设备必须是安全的，并且量子通信的最大优势之一就是其能够安全，快速地在远距离传输信息的能力。

但是，由于量子可能仍然不切实际或难以应用于边缘挑战，因此，正在探索其他潜在技术来引发边缘革命。但是需要新的材料来设计必要的处理器，电路和晶体管。

一些最有前途的候选材料包括碳纳米管(CNT)，石墨烯和二硫化钼。由于其纳米尺寸，CNT当前是晶体管最有前途的替代品，基于CNT的场效应晶体管正导致更快，更高效的处理器和传感器。

关于光子系统，还有大量的研究工作。现在可以将光子组件集成在单个芯片上，并且可以将光子技术与其他系统结合起来以创建创新的计算和网络平台。

等离子体和光学互连显示出使这些系统更高效的潜力。这组作者写道，例如，“携带信息的光子可以转换成可以通过光学计算机或处理器中的量子等离激元电路传播的携带信息的等离激元。” 然而，限制和控制光子的挑战仍然是潜在器件的缩小和集成所必需的。

最后，模仿人脑过程的神经形态计算也正在成为潜在的边缘平台。

最后，作者得出结论，量子和拓扑材料为纳米技术和边缘计算的发展提供了令人兴奋且充满希望的领域。但是无论结果如何，毫无疑问边缘计算将随着它的成熟而对众多科学领域产生重大影响。

尽管诸如安全性和改进软件之类的挑战仍然存在，但是纳米科学正在提供一系列强大而有前途的解决方案。而这两个新兴领域的交叉点很可能会解锁几年前才想到的技术。

但是边缘计算社区必须与材料和计算硬件社区进行协作。

“我们需要跨学科的交流，” Passian说。“就像数学正在改变生物学，反之亦然，边缘计算和纳米科学正在互相改变。”

“边缘计算是一种增长的趋势，但是要使计算走向边缘，还有很多研究要做，” ORNL计算与计算科学局的杰出研究科学家兼研究合作副总监Imam说。“与集中处理相比，需要证明数据延迟显着减少，以证明投资是合理的，边缘计算节点的弹性也是如此。”

标签： 边缘计算