为地球建一套中枢神经系统
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想要在地球上生活得更好,就要更了解地球,惠普想要建立一个庞大的“地球中枢神经系统”(CeNSE),来为地球把脉,让地球自己告诉我们情况。当然,这仅仅是一个开始。
天文学家卡尔・萨根曾经问道:“谁会为地球说话?”现在惠普公司回答,不久以后地球很可能就可以为自己说话了。“地球中枢神经系统”CeNSE(Central Nervous System for the Earth)是惠普公司2008年提出的宏伟构想,他们预计于未来5年在全球范围内安装超过10亿个传感器,它们功能各异,能够感受振动、光强、风速、湿度、压力、有害气体浓度等各种信息。这个庞大的系统将实时监测地球的情况,而地球将利用这套系统与人类对话。
给地球体检
在2010年的国际石油周上,惠普和壳牌石油公司宣布,将CeNSE和壳牌的地震波高性能计算一成像环境相结合,建立一套更安全、有效、经济的高精度地震波传感系统,用于油田或天然气矿的勘探以及开采进度监视。
这套系统的核心技术便是CeNSE,这一套高性能传感器集群,可以大大改进地震波(找油部门用人造地震来探明地下的情况)的成像质量,使得一些很难勘探的油田或气矿――比如中东的一些盐下油矿、北美的一些非常规天然气矿――成为囊中之物,这也是“地球中枢神经系统”第一次在实际中应用。壳牌公司研发部门的执行副总裁杰拉德・肖特曼认为:“油气矿勘探技术将由此得到飞跃发展。”
承担CeNSE具体研发的是惠普信息与量子系统实验室。该实验室主任斯坦・威廉姆斯博士这样描述他们的目标:“这个项目的研究动力,来源于我们深深地认识到地球已经病了。”毫无疑问,他指的是各种环境问题――厄尔尼诺、全球变暖还有无处不在的污染问题,“但我们不是医生,不能直接开处方或治愈疾病。我们希望为千疮百孔的地球做一个体检系统,利用我们在信息采集和处理方面的强项为医生提供信息,帮助他做出准确的诊断和制定有效的治疗方案。”
CeNSE数以亿计的传感器正是这个体检系统。“这些传感器可以告诉我们地球的健康状态。我们的湖泊和河流怎样?我们的森林怎么样?这些技术能够帮助我们管理这些社会资产。”威廉姆斯博士说。对于山体滑坡、地震、洪水、大规模山火爆发等,甚至包括病虫害,CeNSE掌握第一手情况对农业、海上航运来说都是一个福音。它的触角还将延伸到大楼、桥梁、公路,实时监测其安全状况。“甚至在真正的故障出现之前,人们就能预见到”,惠普高级研究员彼得・哈特韦尔说,“广泛和详细的搜集信息是生存的关键,而CeNSE将使人们的生活更加安全。”
三层硅造的神经
为保证CeNSE能有效运转,“我们要求传感器的灵敏度必须比现有水平大,”威廉姆斯说。第一个用于CeNSE的传感器是在哈特韦尔的领导下进行研发的,很快就成为惠普一壳牌合作项目的一部分。
这个传感器的核心技术本来是惠普耗费10年功夫试图制造的纳米级“微移体”部件。它是一个硅片上的CD读写器,基本机制是通过静电作用使存储介质和发射器的相对位置发生变化。哈特韦尔很快意识到,静电的变化会导致电容的变化,而电容两级距离的变化也有类似效果,也就是说,通过测量电容的变化,就可能以极高的灵敏度测量电容极板的运动。
这催生了CeNSE使用的第一个加速传感器,它能够对运动或振动进行传感,其核心是一个5平方毫米的三层硅芯片,中间的硅片通过硅柱悬挂在两侧的硅片之间。当芯片被移动时,中间的硅片就会由于惯性而滞后,这样芯片运动的速度、方向和距离就能被计算出来。这个传感器可以检测到10个费米的移动变化,把你的一根头发纵向劈成10亿根细丝,只要其中一根发生摆动,传感器便能得知,这灵敏度超过Wii、iPhone或汽车安全气囊中各类商用传感器的1000倍。
传感器的整合也是个挑战。哈特韦尔说:“你必须将传感器芯片、射频通信模块与太阳能电池封装在一起。不能太昂贵但却必须足够坚固,因为它可能会被放在路边。”
得有大企业来为海量传感埋单
除了位置的传感器,惠普还计划开发能够感应光照、温度、气压、气流、湿度等信号的传感器,以收集全方位的信息。纳米技术还可帮助将标准的化学和生物检测灵敏度提高1亿倍,以此需要开发检测细菌或病毒的传感器,这些传感器不仅可以被部署在自然界、农田等大面积区域里,还可以被贴在医疗设备或公用电话上,按哈特韦尔的说法,
“这些传感器将可以警告消费者们菠菜上有多少沙门氏菌或者杀虫剂。”
从CeNSE的终极目标来看,对传感器的需求是巨大的,即使只将它应用于“小范围”的监测,比如旧金山金门大桥,也可能需要1万个传感器节点;对于商业货运的全程监测,可能需要100万个节点。自然,传感器越多,就越容易判别背景噪音,抑制虚假警报。
“现在常用的传感器造价不菲,而且并不好用,”威廉姆斯博士说,但他认为惠普的纳米传感技术有望解决这个问题,“最终低到几分钱”。但他也承认,“我们现在所处的阶段被生意人称为‘死亡之谷’……我们现在拥有这个技术,但必须要为它找到市场,找到来为它埋单的人”,否则成本降不下来。
能部署如此大规模传感器系统的只能是大企业,“最应该采用这项技术的应该是化工行业或者是能源部门,这些行业有庞大的资产和工厂需要监控”,威廉姆斯博士说,这也是为何CeNSE的首个应用是与壳牌合作的油气矿勘探系统。
为了几个比特,我们需要无数比特
但是大企业在这些数据上花钱是值得的,谷歌已经证明了数据的价值。惠普认为,把信息的采集和处理结合起来,CeNSE才能发挥威力。在CeNSE系统中,如果有10万个传感器,每天24小时不断收集数据,半年之肉就会产生20PB的数据,这超过了4万块500G硬盘的容量。威廉姆斯博士承认,“这样的数据量绝对是来势凶猛”,何况CeNSE最终将部署亿万个传感节点。
然而,对人类行为起指导作用的可能最终只归结到很少的信息量。“比如你该走哪条州际公路才能最快到家?”哈特韦尔说,“其实你只对其中几个比特感兴趣。某一个比特的真正价值在于能让你在路上节省20分钟。”但是,要得到这几个比特,你需要在背后获得并处理大量的比特,包括路面状况、交通状况、甚至天气情况,惠普相信自己的ProCurve和企业服务部门能够为此提供足够的技术支持。
哈特韦尔相信,这就是为何CeNSE将使这个世界更加安全、便捷,它甚至将改变人们的日常生活方式,“你可以告诉孩子要关灯,但如果电灯可以自己关掉,这不是更有效?”