導(dǎo)讀

《衛(wèi)報(bào)》特稿，摩爾定律快要走到盡頭，但計(jì)算革命不會(huì)終止。更好的軟件編程、3D芯片和量子計(jì)算等方法應(yīng)運(yùn)而生，其中云計(jì)算將成為業(yè)界應(yīng)對(duì)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(gè)“消失點(diǎn)”，此前計(jì)算機(jī)的形體從大到小，此后計(jì)算機(jī)將變得“無(wú)形”，使計(jì)算無(wú)處不在，智能融入日常生活。

1971年，其時(shí)名不見(jiàn)經(jīng)傳后來(lái)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(gè)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(gè)微小包裝里，這在當(dāng)時(shí)是個(gè)奇跡。這款芯片有 2300 個(gè)晶體管，每個(gè)晶體管寬約 1 萬(wàn)納米，相當(dāng)于一個(gè)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(guò)550億美元的英特爾發(fā)布了 Skylake 芯片。英特爾公司沒(méi)有公布具體的數(shù)字，但推測(cè) 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(jì)算機(jī)比以前的好，但很難說(shuō)清楚具體怎么個(gè)好法，因?yàn)槠渌贈(zèng)]有什么消費(fèi)者科技產(chǎn)品比計(jì)算機(jī)發(fā)展得還要快。世人常用汽車(chē)來(lái)類(lèi)比：如果從1971年開(kāi)始，汽車(chē)也以與計(jì)算機(jī)芯片相同的速度發(fā)展，那么到2015年最新型的汽車(chē)最高時(shí)速將達(dá)到每小時(shí) 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(shí)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(chē)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(huì)增加一倍。后來(lái)這個(gè)數(shù)字修改為每?jī)赡?，從?ldquo;摩爾定律”為整個(gè)計(jì)算機(jī)行業(yè)設(shè)定了步伐。每年，英特爾和臺(tái)積電等公司花費(fèi)數(shù)十億美元來(lái)計(jì)算如何縮小進(jìn)入計(jì)算機(jī)芯片的組件。一路走來(lái)，摩爾定律幫助建立了一個(gè)世界，在這個(gè)世界里芯片被植入從水壺到汽車(chē)各種東西里，數(shù)百萬(wàn)人在虛擬世界中放松，金融市場(chǎng)由算法操控，專(zhuān)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(dòng)力量幾乎也要走到盡頭。每次你制作芯片時(shí)，縮小芯片的元件變得越來(lái)越困難，而現(xiàn)代晶體管的特性只有幾十個(gè)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(gè)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(lái)構(gòu)建計(jì)算機(jī)。任何人都知道，這是不可能的。 

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不過(guò)，早在物理定律讓摩爾定律失效前，商業(yè)的法則就會(huì)先將其淘汰，因?yàn)閺慕?jīng)濟(jì)利益上說(shuō)，縮小晶體管的體積已經(jīng)沒(méi)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(lái)更加便宜。換句話說(shuō)，具有較小組件的芯片是更好的芯片，這也是為什么計(jì)算產(chǎn)業(yè)能夠說(shuō)服消費(fèi)者每隔幾年就推出一款最新的型號(hào)。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(shí)，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(shuō)，“鑄造廠”的成本每四年翻一番。一個(gè)現(xiàn)代的芯片制造廠，成本大概需要 100 億美元。即使對(duì)于英特爾來(lái)說(shuō)，這也是很多錢(qián)。

結(jié)果就是硅谷專(zhuān)家達(dá)成了共識(shí)，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(yíng)一家硅谷分析公司的Linley Gwennap說(shuō)。IBM的研發(fā)主管Dario Gil同樣坦率地說(shuō)：“我斷言計(jì)算的未來(lái)不能只是依靠摩爾定律。”英特爾前芯片設(shè)計(jì)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(shuō)再那個(gè)基礎(chǔ)上變得更小就很難讓我相信了。”

“后摩爾定律時(shí)代”的芯片

換句話說(shuō)，過(guò)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(jì)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(lái)許多技術(shù)發(fā)展預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)，從無(wú)人駕駛汽車(chē)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(jì)算機(jī)變得更好。摩爾定律的結(jié)束并不意味著計(jì)算機(jī)革命將就此停滯。不過(guò)，摩爾定律的結(jié)束確實(shí)意味著未來(lái)幾十年將與前幾個(gè)世紀(jì)大為不同，因?yàn)闆](méi)有什么能比過(guò)去半個(gè)世紀(jì)以來(lái)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(jì)算機(jī)變得更小，將它們從占據(jù)整個(gè)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(jì)算機(jī)變得更加實(shí)用：如今一臺(tái)智能手機(jī)的計(jì)算力比1971年全美國(guó)可用的計(jì)算能力加起來(lái)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(jì)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(shí)，工程師們將不得不使用一系列其他的技巧讓計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度變得越來(lái)越快。

有一些簡(jiǎn)單的方法。一是更好的編程。在過(guò)去，摩爾定律的突破性步伐使軟件公司沒(méi)有時(shí)間精簡(jiǎn)他們的產(chǎn)品。事實(shí)上，他們的客戶(hù)會(huì)每隔幾年就會(huì)購(gòu)買(mǎi)更快的機(jī)器這個(gè)事實(shí)進(jìn)一步削弱了激勵(lì)軟件公司完善編程的想法：加速運(yùn)行緩慢的代碼最簡(jiǎn)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(jì)算機(jī)行業(yè)短暫的產(chǎn)品周期可能會(huì)開(kāi)始延長(zhǎng)，這將給程序員更多的時(shí)間來(lái)打磨他們的工作。

另一個(gè)則是改善芯片設(shè)計(jì)。現(xiàn)代芯片開(kāi)始具有專(zhuān)用電路，設(shè)計(jì)來(lái)專(zhuān)門(mén)為常見(jiàn)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(jì)算加速。隨著計(jì)算機(jī)普及到各種其他產(chǎn)品中，這種專(zhuān)用芯片將是非常有用的。例如，自動(dòng)駕駛汽車(chē)將越來(lái)越多地利用機(jī)器視覺(jué)來(lái)解釋現(xiàn)實(shí)世界中的圖像，分類(lèi)對(duì)象和提取信息，這些都是對(duì)計(jì)算量要求很高的任務(wù)。而專(zhuān)用電路將帶來(lái)顯著的性能提升。

然而，為了使計(jì)算能力以每個(gè)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(gè)想法便是試著將摩爾定律推動(dòng)到第三維。現(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(gè)這樣的設(shè)備已經(jīng)上市：韓國(guó)微電子公司三星銷(xiāo)售的硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)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(jì)算機(jī)將它們的存儲(chǔ)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(zhǎng)的一段距離，這意味著每當(dāng)需要提取新的數(shù)據(jù)時(shí)都會(huì)產(chǎn)生比較顯著的延遲。3D芯片可以通過(guò)在存儲(chǔ)器層之間夾入處理邏輯層來(lái)消除這一瓶頸。IBM認(rèn)為，3D芯片可以使設(shè)計(jì)師將目前一棟樓那么大的超級(jí)計(jì)算機(jī)縮小到一個(gè)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(jì)更改?，F(xiàn)代芯片在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生很多熱量，需要強(qiáng)大的散熱器和風(fēng)扇來(lái)散熱降溫。3D芯片的產(chǎn)熱情況會(huì)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(jí)計(jì)算機(jī)將需要采用液體來(lái)冷卻。每個(gè)芯片都將有微孔允許冷卻液體流過(guò)。同時(shí)，IBM公司認(rèn)為冷卻劑也可以作為一個(gè)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(guò)固定的電極。

云計(jì)算將成為計(jì)算產(chǎn)業(yè)應(yīng)對(duì)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(jì)算認(rèn)為使用量子力學(xué)的反直覺(jué)規(guī)則來(lái)構(gòu)建機(jī)器，能夠比任何常規(guī)計(jì)算機(jī)更快地解決某些類(lèi)型的數(shù)學(xué)問(wèn)題(對(duì)于許多其他問(wèn)題，量子計(jì)算并不會(huì)帶來(lái)什么優(yōu)勢(shì))。量子計(jì)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(wèn)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(jì)算機(jī)難以解決的。

十年前，量子計(jì)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(xiàng)技術(shù)，所有這些公司都預(yù)測(cè)，量子芯片應(yīng)該在未來(lái)十年或兩年內(nèi)可用(事實(shí)上，IBM已經(jīng)開(kāi)放了網(wǎng)上平臺(tái)，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(mài)出了一臺(tái)有限量子計(jì)算機(jī)，它只能計(jì)算一個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)，而且目前也不清楚這臺(tái)機(jī)器是否真的比非量子計(jì)算機(jī)運(yùn)行得更快。

像3D芯片一樣，量子計(jì)算機(jī)也需要專(zhuān)門(mén)的護(hù)理和數(shù)據(jù)提供。對(duì)于量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)必須與外界隔絕。量子計(jì)算機(jī)必須用液氦冷卻到逼近絕對(duì)零度的范圍，并且通過(guò)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(lài)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(lái)的增益是一次性的，或者只適用于某種類(lèi)型的計(jì)算。摩爾定律的強(qiáng)大之處在于，它每隔幾年就帶來(lái)可以衡量的性能的有規(guī)律的提升。未來(lái)的進(jìn)步將會(huì)更加艱巨，更加不可預(yù)測(cè)，更加不穩(wěn)定。而且，與繁榮的往日不同，未來(lái)計(jì)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(huì)想要一臺(tái)低溫冷卻的臺(tái)式量子計(jì)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(jì)上也十分復(fù)雜。在這種情況下，為特定任務(wù)構(gòu)建專(zhuān)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(dòng)未來(lái)幾十年的另一個(gè)大趨勢(shì)。傳統(tǒng)上看，計(jì)算機(jī)已經(jīng)是你的桌子上的一個(gè)箱子或口袋里的一個(gè)盒子。在未來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)提供的愈發(fā)無(wú)處不在的連接，將使大量的計(jì)算能力隱藏在數(shù)據(jù)中心里，讓用戶(hù)在需要的時(shí)候使用它們。換句話說(shuō)，計(jì)算將成為一個(gè)按需求使用的實(shí)用程序，就像今天的水或電一樣。

云計(jì)算將成為計(jì)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(jiǎn)單地增加體積而變得更強(qiáng)大。隨著世界對(duì)計(jì)算的需求不斷擴(kuò)大，越來(lái)越多的計(jì)算將在距離用戶(hù)數(shù)百英里外、陰暗的大型倉(cāng)庫(kù)中發(fā)生。

這一過(guò)程也已經(jīng)開(kāi)始發(fā)生。拿蘋(píng)果的語(yǔ)音個(gè)人助理 Siri 來(lái)說(shuō)，解碼人類(lèi)的言語(yǔ)并計(jì)算出一個(gè)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(jì)算力比iPhone本身可用的更多。iPhone 只是記錄下用戶(hù)的聲音，并將信息轉(zhuǎn)發(fā)到蘋(píng)果數(shù)據(jù)中心里更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)。一旦遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)找到了適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，它會(huì)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(jì)算機(jī)的東西，從汽車(chē)到電視和水壺再到醫(yī)療植入物，而且這個(gè)過(guò)程正在加速。“物聯(lián)網(wǎng)”(IoT)的理想是將計(jì)算嵌入幾乎每一個(gè)可以想象的對(duì)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(lái)清洗自己;智能鋪路板將監(jiān)測(cè)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(lái)我們現(xiàn)在已經(jīng)可見(jiàn)：勞斯萊斯等公司的工程師甚至可以監(jiān)測(cè)飛行中單個(gè)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的幾十個(gè)性能指標(biāo)。智能家居中心允許業(yè)主通過(guò)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(lái)了解數(shù)十億嵌入式芯片帶來(lái)的數(shù)據(jù)洪流。物聯(lián)網(wǎng)芯片本身不能勝任這項(xiàng)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(gè)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(jì)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(lái)有希望的方法。例如，現(xiàn)在有很多人正在研究如何提高計(jì)算機(jī)的能量效率。這有幾個(gè)原因：消費(fèi)者希望他們的智能手機(jī)有更長(zhǎng)的電池壽命;物聯(lián)網(wǎng)需要將計(jì)算機(jī)部署在電源不可用的地方;還有大量的計(jì)算已經(jīng)消耗了世界發(fā)電量的2%。

用戶(hù)界面是另一個(gè)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(pán)是從機(jī)械打字機(jī)直接發(fā)展而來(lái)。鼠標(biāo)最初在1968年出現(xiàn)，所謂的“圖形用戶(hù)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(kāi)創(chuàng)了觸摸屏。 

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1986年的第一個(gè)鼠標(biāo)。來(lái)源：GettyImages/TheGuardian

Siri可能離開(kāi)你的手機(jī)進(jìn)而無(wú)所不在：人工智能(和云計(jì)算)讓使得任何機(jī)器——無(wú)論單獨(dú)看是如何的微小——只需通過(guò)談話就能控制。我們現(xiàn)在已經(jīng)制作出了能夠使用語(yǔ)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(shì)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(jì)室，但類(lèi)似的東西可能會(huì)在將來(lái)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(lèi)似功能而不太具有侵入性的電子隱形眼鏡。

摩爾定律不會(huì)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(jì)算機(jī)這個(gè)規(guī)模宏大的全球產(chǎn)業(yè)一個(gè)主節(jié)拍器，沒(méi)有摩爾定律的未來(lái)計(jì)算的進(jìn)步將變得更加困難、更不規(guī)則。但是，進(jìn)步仍會(huì)發(fā)生。2050 年的計(jì)算機(jī)將是一個(gè)微小的芯片，這個(gè)芯片嵌入在從你的廚房柜臺(tái)到汽車(chē)?yán)锏囊磺邢到y(tǒng)。這些系統(tǒng)中的大多數(shù)將有機(jī)會(huì)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)無(wú)線傳輸獲得大量的計(jì)算能力，你將通過(guò)與房間對(duì)話與這些電子設(shè)備和電器互動(dòng)。數(shù)以萬(wàn)計(jì)的小芯片將分散在物理環(huán)境的每個(gè)角落，使世界更容易理解、更易于監(jiān)控。摩爾定律很快就會(huì)結(jié)束。但計(jì)算革命仍將繼續(xù)。