導(dǎo)讀

《衛(wèi)報》特稿，摩爾定律快要走到盡頭，但計算革命不會終止。更好的軟件編程、3D芯片和量子計算等方法應(yīng)運(yùn)而生，其中云計算將成為業(yè)界應(yīng)對摩爾定律消亡的最佳手段，物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的興起將讓我們逼近一個“消失點(diǎn)”，此前計算機(jī)的形體從大到小，此后計算機(jī)將變得“無形”，使計算無處不在，智能融入日常生活。

1971年，其時名不見經(jīng)傳后來名震硅谷的英特爾發(fā)布了一款名為 4004 的芯片。這是世界上首個商業(yè)微處理器，它將所有電子電路都整合在了單一的一個微小包裝里，這在當(dāng)時是個奇跡。這款芯片有 2300 個晶體管，每個晶體管寬約 1 萬納米，相當(dāng)于一個紅細(xì)胞的大小。

2015年，已經(jīng)是全球領(lǐng)先芯片制造商、當(dāng)年年收入超過550億美元的英特爾發(fā)布了 Skylake 芯片。英特爾公司沒有公布具體的數(shù)字，但推測 Skylake 芯片每塊大約擁有 15 億到 20 億的晶體管。采用 14 納米制程，一塊 Skylake 芯片體積之小，肉眼幾乎看不到。

摩爾定律快要走到盡頭

人人都知道現(xiàn)代的計算機(jī)比以前的好，但很難說清楚具體怎么個好法，因?yàn)槠渌贈]有什么消費(fèi)者科技產(chǎn)品比計算機(jī)發(fā)展得還要快。世人常用汽車來類比：如果從1971年開始，汽車也以與計算機(jī)芯片相同的速度發(fā)展，那么到2015年最新型的汽車最高時速將達(dá)到每小時 4.2 億英里左右。這大約是光速的三分之二，能夠在不到五分之一秒的時間里繞地球一圈。如果這仍然太慢，那么在2017年年底之前，還可以再快兩倍的模型車就能在展廳里展出了。

這種飛速的進(jìn)步是 1965 年由英特爾的創(chuàng)始人戈登·摩爾首次觀察并且提出結(jié)果。摩爾指出，可以擠在集成電路上的電子元件數(shù)量每年都會增加一倍。后來這個數(shù)字修改為每兩年，從此“摩爾定律”為整個計算機(jī)行業(yè)設(shè)定了步伐。每年，英特爾和臺積電等公司花費(fèi)數(shù)十億美元來計算如何縮小進(jìn)入計算機(jī)芯片的組件。一路走來，摩爾定律幫助建立了一個世界，在這個世界里芯片被植入從水壺到汽車各種東西里，數(shù)百萬人在虛擬世界中放松，金融市場由算法操控，專家擔(dān)心人工智能將很快取代人從事所有的工作。

但摩爾定律的推動力量幾乎也要走到盡頭。每次你制作芯片時，縮小芯片的元件變得越來越困難，而現(xiàn)代晶體管的特性只有幾十個原子，能夠改善和提升的空間已經(jīng)不夠用了。從1971年的4004年推出到2016年年中，摩爾定律大約走了22步驟。要按照這個速度發(fā)展到2050年，意味著還要往前推進(jìn)17步，在這種情況下，工程師必須找出原子體積比氫原子還要小的元素來構(gòu)建計算機(jī)。任何人都知道，這是不可能的。 

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不過，早在物理定律讓摩爾定律失效前，商業(yè)的法則就會先將其淘汰，因?yàn)閺慕?jīng)濟(jì)利益上說，縮小晶體管的體積已經(jīng)沒有那么有效了。在摩爾定律之后，又出現(xiàn)了一種名為“Dennard scaling”的現(xiàn)象(以 IBM 工程師 Robert Dennard 命名，他在 1974 年首次提出這一想法)。Dennard scaling 指出，縮小芯片組件的體積使芯片運(yùn)行速度更快、消耗更少的功率，生產(chǎn)起來更加便宜。換句話說，具有較小組件的芯片是更好的芯片，這也是為什么計算產(chǎn)業(yè)能夠說服消費(fèi)者每隔幾年就推出一款最新的型號。但是，老的魔法正在衰落。

體積的不斷縮小不再像以前那樣讓芯片更快或更高效。與此同時，制造芯片所需的超精密設(shè)備的成本不斷上升正在侵蝕芯片制造的經(jīng)濟(jì)利益。摩爾提出的第二條定律說，“鑄造廠”的成本每四年翻一番。一個現(xiàn)代的芯片制造廠，成本大概需要 100 億美元。即使對于英特爾來說，這也是很多錢。

結(jié)果就是硅谷專家達(dá)成了共識，摩爾定律已經(jīng)接近尾聲。“從經(jīng)濟(jì)角度看，摩爾定律已經(jīng)死了，”運(yùn)營一家硅谷分析公司的Linley Gwennap說。IBM的研發(fā)主管Dario Gil同樣坦率地說：“我斷言計算的未來不能只是依靠摩爾定律。”英特爾前芯片設(shè)計師Bob Colwell認(rèn)為，芯片產(chǎn)業(yè)可能到20世紀(jì)20年代初，制造出制程僅有 5 納米的芯片——“但你要說再那個基礎(chǔ)上變得更小就很難讓我相信了。”

“后摩爾定律時代”的芯片

換句話說，過去 50 年中最強(qiáng)大的技術(shù)力量之一很快就將走到盡頭。然而，計算機(jī)將以驚人的速度繼續(xù)變得更好和更便宜，已經(jīng)成為人們根深蒂固的想法，也是未來許多技術(shù)發(fā)展預(yù)測的基礎(chǔ)，從無人駕駛汽車到更好的人工智能和更引人注目的消費(fèi)者電子產(chǎn)品。實(shí)際上，除了縮小芯片的組件，還有其他的方法使計算機(jī)變得更好。摩爾定律的結(jié)束并不意味著計算機(jī)革命將就此停滯。不過，摩爾定律的結(jié)束確實(shí)意味著未來幾十年將與前幾個世紀(jì)大為不同，因?yàn)闆]有什么能比過去半個世紀(jì)以來芯片體積的持續(xù)縮小更加可靠或可重復(fù)的了。 

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摩爾定律使計算機(jī)變得更小，將它們從占據(jù)整個房間的巨獸轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄬屿`活安裝的電路板。摩爾定律也使計算機(jī)變得更加實(shí)用：如今一臺智能手機(jī)的計算力比1971年全美國可用的計算能力加起來都多，而且只需要一塊電池就可以用上一整天。但是，摩爾定律最有名的效用是使計算機(jī)變得更快。到2050年，當(dāng)摩爾定律已成為古老的歷史時，工程師們將不得不使用一系列其他的技巧讓計算機(jī)的運(yùn)行速度變得越來越快。

有一些簡單的方法。一是更好的編程。在過去，摩爾定律的突破性步伐使軟件公司沒有時間精簡他們的產(chǎn)品。事實(shí)上，他們的客戶會每隔幾年就會購買更快的機(jī)器這個事實(shí)進(jìn)一步削弱了激勵軟件公司完善編程的想法：加速運(yùn)行緩慢的代碼最簡單的方法可能只是等待一兩年，當(dāng)硬件的速度趕上就可以。隨著摩爾定律的衰落，計算機(jī)行業(yè)短暫的產(chǎn)品周期可能會開始延長，這將給程序員更多的時間來打磨他們的工作。

另一個則是改善芯片設(shè)計?，F(xiàn)代芯片開始具有專用電路，設(shè)計來專門為常見的任務(wù)，諸如解壓縮電影、加密或繪制在視頻游戲中使用的復(fù)雜3D圖形等復(fù)雜計算加速。隨著計算機(jī)普及到各種其他產(chǎn)品中，這種專用芯片將是非常有用的。例如，自動駕駛汽車將越來越多地利用機(jī)器視覺來解釋現(xiàn)實(shí)世界中的圖像，分類對象和提取信息，這些都是對計算量要求很高的任務(wù)。而專用電路將帶來顯著的性能提升。

然而，為了使計算能力以每個人都習(xí)慣的速度不斷提高，還需要更為激進(jìn)的東西。其中一個想法便是試著將摩爾定律推動到第三維?，F(xiàn)代芯片基本上是扁平的，但如今研究人員正在采用芯片堆疊技術(shù)，這樣就能在同樣的面積里容納更多的組件，就像摩天大樓那樣可以在給定區(qū)域比低層房屋容納更多的居民。

第一個這樣的設(shè)備已經(jīng)上市：韓國微電子公司三星銷售的硬盤驅(qū)動器，內(nèi)存芯片就采用了三維堆疊技術(shù)。 該技術(shù)具有巨大的前景。

現(xiàn)代計算機(jī)將它們的存儲器安裝在距離其處理器幾厘米的地方。在硅速度下，一厘米是很長的一段距離，這意味著每當(dāng)需要提取新的數(shù)據(jù)時都會產(chǎn)生比較顯著的延遲。3D芯片可以通過在存儲器層之間夾入處理邏輯層來消除這一瓶頸。IBM認(rèn)為，3D芯片可以使設(shè)計師將目前一棟樓那么大的超級計算機(jī)縮小到一個鞋盒的大小。

但要讓 3D芯片正常工作，還需要一些基本的設(shè)計更改。現(xiàn)代芯片在運(yùn)行時會產(chǎn)生很多熱量，需要強(qiáng)大的散熱器和風(fēng)扇來散熱降溫。3D芯片的產(chǎn)熱情況會更糟，因?yàn)橄啾榷S芯片，3D芯片可用于散熱的表面積要小得多。出于同樣的原因，3D芯片的供電和數(shù)據(jù)輸入也要求新的技術(shù)。因此，IBM 所預(yù)想的只有鞋盒那么大的超級計算機(jī)將需要采用液體來冷卻。每個芯片都將有微孔允許冷卻液體流過。同時，IBM公司認(rèn)為冷卻劑也可以作為一個電源。根據(jù)這種想法，液態(tài)的冷卻劑就像液態(tài)電池的電解質(zhì)那樣流過固定的電極。

云計算將成為計算產(chǎn)業(yè)應(yīng)對摩爾定律消亡最有效的手段之一

還有更加超前的想法。量子計算認(rèn)為使用量子力學(xué)的反直覺規(guī)則來構(gòu)建機(jī)器，能夠比任何常規(guī)計算機(jī)更快地解決某些類型的數(shù)學(xué)問題(對于許多其他問題，量子計算并不會帶來什么優(yōu)勢)。量子計算最著名的應(yīng)用是破解一些加密代碼，但是它們最重要的用途可能是準(zhǔn)確地模擬量子化學(xué)問題，這在制造業(yè)和工業(yè)中有難以估量的用途，都是常規(guī)計算機(jī)難以解決的。

十年前，量子計算方面的研究大都在高校里。如今，幾家大公司——包括微軟、IBM和谷歌——都在投資這項技術(shù)，所有這些公司都預(yù)測，量子芯片應(yīng)該在未來十年或兩年內(nèi)可用(事實(shí)上，IBM已經(jīng)開放了網(wǎng)上平臺，任何有興趣的人都可以利用IBM的量子芯片遠(yuǎn)程編程)。

加拿大公司 D-Wave的已經(jīng)賣出了一臺有限量子計算機(jī)，它只能計算一個數(shù)學(xué)函數(shù)，而且目前也不清楚這臺機(jī)器是否真的比非量子計算機(jī)運(yùn)行得更快。

像3D芯片一樣，量子計算機(jī)也需要專門的護(hù)理和數(shù)據(jù)提供。對于量子計算機(jī)來說，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)必須與外界隔絕。量子計算機(jī)必須用液氦冷卻到逼近絕對零度的范圍，并且通過復(fù)雜的屏蔽保護(hù)，即使最小的熱脈沖或散亂的電磁波也能破壞量子機(jī)器所依賴的精確量子狀態(tài)。

然而，這些預(yù)期的改進(jìn)作用都是有限的：它們帶來的增益是一次性的，或者只適用于某種類型的計算。摩爾定律的強(qiáng)大之處在于，它每隔幾年就帶來可以衡量的性能的有規(guī)律的提升。未來的進(jìn)步將會更加艱巨，更加不可預(yù)測，更加不穩(wěn)定。而且，與繁榮的往日不同，未來計算力的提升尚不清楚將如何轉(zhuǎn)化為消費(fèi)產(chǎn)品。很少有人會想要一臺低溫冷卻的臺式量子計算機(jī)或智能手機(jī)，液冷技術(shù)也一樣，不僅重，而且不便隨身攜帶，設(shè)計上也十分復(fù)雜。在這種情況下，為特定任務(wù)構(gòu)建專用的硬件也將是值得的，只要它能被定期使用的話。 

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但是，所有這三種技術(shù)都將很好地適用于數(shù)據(jù)中心，它們將有助于推動未來幾十年的另一個大趨勢。傳統(tǒng)上看，計算機(jī)已經(jīng)是你的桌子上的一個箱子或口袋里的一個盒子。在未來，互聯(lián)網(wǎng)和移動電話網(wǎng)絡(luò)提供的愈發(fā)無處不在的連接，將使大量的計算能力隱藏在數(shù)據(jù)中心里，讓用戶在需要的時候使用它們。換句話說，計算將成為一個按需求使用的實(shí)用程序，就像今天的水或電一樣。

云計算將成為計算產(chǎn)業(yè)抵御摩爾定律消亡最重要的手段之一。與智能手機(jī)或PC不同，數(shù)據(jù)中心可以簡單地增加體積而變得更強(qiáng)大。隨著世界對計算的需求不斷擴(kuò)大，越來越多的計算將在距離用戶數(shù)百英里外、陰暗的大型倉庫中發(fā)生。

這一過程也已經(jīng)開始發(fā)生。拿蘋果的語音個人助理 Siri 來說，解碼人類的言語并計算出一個指令(比如“Siri，給我在附近找一家印度餐館”)背后的意圖，所需要的計算力比iPhone本身可用的更多。iPhone 只是記錄下用戶的聲音，并將信息轉(zhuǎn)發(fā)到蘋果數(shù)據(jù)中心里更強(qiáng)大的計算機(jī)。一旦遠(yuǎn)程計算機(jī)找到了適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，它會將信息再發(fā)送回iPhone上。

相同的模型可以應(yīng)用的產(chǎn)品遠(yuǎn)不止智能手機(jī)。芯片已經(jīng)進(jìn)入了通常不被視為計算機(jī)的東西，從汽車到電視和水壺再到醫(yī)療植入物，而且這個過程正在加速。“物聯(lián)網(wǎng)”(IoT)的理想是將計算嵌入幾乎每一個可以想象的對象之中。

智能服裝將使用家庭網(wǎng)絡(luò)告訴洗衣機(jī)使用什么設(shè)置來清洗自己;智能鋪路板將監(jiān)測城市中的行人交通，并給政府提供詳細(xì)的空氣污染地圖。

再一次地，這一未來我們現(xiàn)在已經(jīng)可見：勞斯萊斯等公司的工程師甚至可以監(jiān)測飛行中單個噴氣發(fā)動機(jī)的幾十個性能指標(biāo)。智能家居中心允許業(yè)主通過智能手機(jī)控制從照明到廚房電器的一切，這種服務(wù)在早期采用者中很是受歡迎。

但是，要讓物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)其全部潛力，還需要一些方法來了解數(shù)十億嵌入式芯片帶來的數(shù)據(jù)洪流。物聯(lián)網(wǎng)芯片本身不能勝任這項任務(wù)：例如，嵌入在智能鋪路板中的芯片必須盡可能便宜，并且功率非常低：由于將單個鋪路石連接到電網(wǎng)不切實(shí)際，這樣的芯片將不得不從熱能、行人的腳步踩踏甚至是環(huán)境電磁輻射中獲取能量。

計算機(jī)產(chǎn)業(yè)革命將繼續(xù)

隨著摩爾定律的消亡，“更好”的定義也將改變。除了上面列出的途徑，還有許多其他可能看起來有希望的方法。例如，現(xiàn)在有很多人正在研究如何提高計算機(jī)的能量效率。這有幾個原因：消費(fèi)者希望他們的智能手機(jī)有更長的電池壽命;物聯(lián)網(wǎng)需要將計算機(jī)部署在電源不可用的地方;還有大量的計算已經(jīng)消耗了世界發(fā)電量的2%。

用戶界面是另一個已經(jīng)做好準(zhǔn)備迎接改進(jìn)的領(lǐng)域，今天我們所使用的技術(shù)已經(jīng)十分古老了。鍵盤是從機(jī)械打字機(jī)直接發(fā)展而來。鼠標(biāo)最初在1968年出現(xiàn)，所謂的“圖形用戶界面”(如Windows或iOS)也在當(dāng)年誕生。歐洲的粒子物理實(shí)驗(yàn)室 CERN 在20世紀(jì)70年代開創(chuàng)了觸摸屏。 

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1986年的第一個鼠標(biāo)。來源：GettyImages/TheGuardian

Siri可能離開你的手機(jī)進(jìn)而無所不在：人工智能(和云計算)讓使得任何機(jī)器——無論單獨(dú)看是如何的微小——只需通過談話就能控制。我們現(xiàn)在已經(jīng)制作出了能夠使用語音控制的電視機(jī)。

事實(shí)證明，目前用于虛擬現(xiàn)實(shí)視頻游戲的手勢跟蹤和凝視跟蹤等技術(shù)也是有用的。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)也在混合虛擬和真實(shí)。谷歌的Glass AR頭盔雖然被打回了設(shè)計室，但類似的東西可能會在將來某天得到使用。此外，該公司正致力于研發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)類似功能而不太具有侵入性的電子隱形眼鏡。

摩爾定律不會永遠(yuǎn)持續(xù)。但隨著它的褪色，摩爾定律的重要性將愈發(fā)顯現(xiàn)。它給計算機(jī)這個規(guī)模宏大的全球產(chǎn)業(yè)一個主節(jié)拍器，沒有摩爾定律的未來計算的進(jìn)步將變得更加困難、更不規(guī)則。但是，進(jìn)步仍會發(fā)生。2050 年的計算機(jī)將是一個微小的芯片，這個芯片嵌入在從你的廚房柜臺到汽車?yán)锏囊磺邢到y(tǒng)。這些系統(tǒng)中的大多數(shù)將有機(jī)會通過互聯(lián)網(wǎng)無線傳輸獲得大量的計算能力，你將通過與房間對話與這些電子設(shè)備和電器互動。數(shù)以萬計的小芯片將分散在物理環(huán)境的每個角落，使世界更容易理解、更易于監(jiān)控。摩爾定律很快就會結(jié)束。但計算革命仍將繼續(xù)。