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谁将接棒摩尔定律推动计算机发展?

导读: 几十年来,计算机变得越来越小越来越强大,令科学取得了巨大进展。但是,摩尔定律每前进一步,阻力就更大些,这种趋势不可能永远持续下去。很多专家都预测摩尔定律很快就会结束。当计算机停止缩小身躯时会发生什么呢?有哪些技术突破可以接力摩尔定律呢?

如果要问过去50年计算机业最重要的定律是什么,答案非摩尔定律莫属。“当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。”摩尔定律变成了一个自我应验的预言,决定了整个产业的发展节奏,指数性的增长不仅体现在芯片层面,而且也体现在了系统和采用社区层面。

几十年来,计算机变得越来越小越来越强大,令科学取得了巨大进展。但是,摩尔定律每前进一步,阻力就更大些,这种趋势不可能永远持续下去。很多专家都预测摩尔定律很快就会结束。当计算机停止缩小身躯时会发生什么呢?有哪些技术突破可以接力摩尔定律呢?我们看看《Megatech: Technology in 2050》是如何预测的。

1971年,英特尔,当时还不为人所知只是后来才驰名硅谷的这家公司发布了一款芯片,芯片的名字叫做4004.这是当时世界上首款商用化的微处理器,意味着在一个微小的身躯内包含了所有的电子电路来运行先进的数字处理计算。这在当时算是一个奇迹了,里面集成了2300个微型的晶体管,每个大概只有1万纳米(1米的十亿份之一)的大小——也就是一个红细胞那么大。晶体管是开一个可以切换的电子开关,是1和0的物理表示,而后两者是信息的基本粒子。

2015年的英特尔当时已是全球领先的芯片制造商,当年收入超过了550亿美元。在这一年,芯片巨头发布了Skylake芯片。这次这家公司已经不在公布确切的数字,但最佳猜测是每块芯片大概有15亿到20亿个晶体管。每个晶体管的间隔大概只有14纳米,这已经是小到看不见的地步了,因为它们已经比人肉眼可见光的波长还要小一个数量级。

每个人都知道现代计算机要比老的更好。但究竟好多少却是很难表示出来的,因为其他的消费者技术的任何改进都不能跟上这种节奏。标准的类比是用汽车来打比方:如果汽车从1971年开始就跟上计算机芯片的升级节奏的话,那么到2015年的新车型最高时速应该可以达到每小时4.2亿英里。这大概是光速的2/3左右,或者快到足以在1/5秒的时间内绕地球一周。如果还嫌这不够快的话,那么到2017年底时速翻番的车型就可以开始到达展厅了。

如此迅猛的发展是1965年英特尔创始人之一戈登·摩尔首次观察到现象的结果。摩尔指出,装配进集成电路的元件数量每年都会翻番。随后时间间隔被修订为2年的“摩尔定律”变成了一个自我应验的预言,为整个计算业奠定了发展的节奏。每一年,像英特尔以及台积电这样的公司都会花费数十亿美元,一边想出缩小集成进计算机芯片里面的部件尺寸的办法。一路走来,摩尔定律已经帮助建设出一个芯片被植入到从热水壶到汽车(汽车逐渐能自己开车也是拜芯片所赐)等一切的世界。在这个世界里,数百万人在虚拟的世界里放松自己,金融市场靠算法来运作,而权威担心人工智能很快就要取代所有的工作。

但这也是一股几乎要被耗尽的力量。缩小元件尺寸每做一次都会变得越来越困难,现代的晶体管已经小到用几十个原子来衡量,工程师根本就没有可发挥的空间了。从1971年的4004发布到2016年中,摩尔定律的钟声一共敲响了22次。该定律要想延续到2050年的话意味着这个钟还要再响17次,其更深层次的意味是,那些工程师必须想出用比最小的元素氢原子还要小的元件开发出计算机的办法。谁都知道,这是不可能的。

但企业会在物理规律终结前就先干掉摩尔定律,因为缩小晶体管的尺寸的好处已经不如以往。摩尔定律之所以生效是因为一个相关的现象:“登纳德缩放比例定律”(以1974年正式提出该现象的IBM工程师Robert Dennard的名字命名)。该定律指出,芯片元件的缩小是的芯片变快,耗电更少而且更容易制造。换句话说,元件更小的芯片是更好的芯片,正因为这样,计算业一直在说服消费者每隔几年就要花钱去购买最新型号。但这个旧魔法正在失去魔力。

缩小芯片尺寸不再像以往那样让它们跑得更快或者更有效率了。与此同时,制造芯片所需的超精密设备的成本不断上升正在侵蚀其经济收益。比第一定律实现更轻松一点的摩尔第二定律指出,所谓的“代工厂”的成本每4年就要翻番。一台现代的机器差不多要100亿美元。哪怕是对于英特尔来说这也是很大一笔钱。

其结果是硅谷专家已经形成了一个共识,摩尔定律正在接近终结。管理着硅谷的一家分析机构的Linley Gwennap 说:“从经济角度来说,摩尔定律已经死了。”IBM研发负责人Dario Gil也有着类似的坦率:“我绝对可以这么说,计算的未来不再只能取决于摩尔定律了。”前英特尔芯片设计师Bob Colwell则认为,到2020年代初业界也许还可以把芯片做到元件间隔只有5纳米大小——“但你很难说服我还能做得小很多”。

换句话说,过去50年以来最强大的一股技术力量很快就要走到终点。以为计算机仍将以令人窒息的速度变得越来越好越便宜已经成为大家对未来根深蒂固的想法。从无人车到更好的人工智能乃至于永远更吸引人的电子产品,它构成了许多有关技术方面预测的基础。摩尔定律的终结并不意味着计算机革命就会停滞。但它的确意味着未来几十年的样子会跟过去几十年很不一样,因为替代者当中没有一个能像过去半个世纪的持续大瘦身那般,如此的可靠,如此的可重复。

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