摩爾定律消失后，2050年的計算機會是什么樣子？

如果要問過去50年計算機業(yè)最重要的定律是什么，答案非摩爾定律莫屬?！爱攦r格不變時，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍?！蹦柖勺兂闪艘粋€自我應(yīng)驗的預(yù)言，決定了整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展節(jié)奏，指數(shù)性的增長不僅體現(xiàn)在芯片層面，而且也體現(xiàn)在了系統(tǒng)和采用社區(qū)層面。幾十年來，計算機變得越來越小越來越強大，令科學取得了巨大進展。但是，摩爾定律每前進一步，阻力就更大些，這種趨勢不可能永遠持續(xù)下去。很多專家都預(yù)測摩爾定律很快就會結(jié)束。當計算機停止縮小身軀時會發(fā)生什么呢？有哪些技術(shù)突破可以接力摩爾定律呢？我們看看即將在下個月出版的《Megatech: Technology in 2050》是如何預(yù)測的。

1971年，英特爾，當時還不為人所知只是后來才馳名硅谷的這家公司發(fā)布了一款芯片，芯片的名字叫做4004.這是當時世界上首款商用化的微處理器，意味著在一個微小的身軀內(nèi)包含了所有的電子電路來運行先進的數(shù)字處理計算。這在當時算是一個奇跡了，里面集成了2300個微型的晶體管，每個大概只有1萬納米（1米的十億份之一）的大小——也就是一個紅細胞那么大。晶體管是開一個可以切換的電子開關(guān)，是1和0的物理表示，而后兩者是信息的基本粒子。

2015年的英特爾當時已是全球領(lǐng)先的芯片制造商，當年收入超過了550億美元。在這一年，芯片巨頭發(fā)布了Skylake芯片。這次這家公司已經(jīng)不在公布確切的數(shù)字，但最佳猜測是每塊芯片大概有15億到20億個晶體管。每個晶體管的間隔大概只有14納米，這已經(jīng)是小到看不見的地步了，因為它們已經(jīng)比人肉眼可見光的波長還要小一個數(shù)量級。

每個人都知道現(xiàn)代計算機要比老的更好。但究竟好多少卻是很難表示出來的，因為其他的消費者技術(shù)的任何改進都不能跟上這種節(jié)奏。標準的類比是用汽車來打比方：如果汽車從1971年開始就跟上計算機芯片的升級節(jié)奏的話，那么到2015年的新車型最高時速應(yīng)該可以達到每小時4.2億英里。這大概是光速的2/3左右，或者快到足以在1/5秒的時間內(nèi)繞地球一周。如果還嫌這不夠快的話，那么到2017年底時速翻番的車型就可以開始到達展廳了。

如此迅猛的發(fā)展是1965年英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾首次觀察到現(xiàn)象的結(jié)果。摩爾指出，裝配進集成電路的元件數(shù)量每年都會翻番。隨后時間間隔被修訂為2年的“摩爾定律”變成了一個自我應(yīng)驗的預(yù)言，為整個計算業(yè)奠定了發(fā)展的節(jié)奏。每一年，像英特爾以及臺積電這樣的公司都會花費數(shù)十億美元，一邊想出縮小集成進計算機芯片里面的部件尺寸的辦法。一路走來，摩爾定律已經(jīng)幫助建設(shè)出一個芯片被植入到從熱水壺到汽車（汽車逐漸能自己開車也是拜芯片所賜）等一切的世界。在這個世界里，數(shù)百萬人在虛擬的世界里放松自己，金融市場靠算法來運作，而權(quán)威擔心人工智能很快就要取代所有的工作。

但這也是一股幾乎要被耗盡的力量?？s小元件尺寸每做一次都會變得越來越困難，現(xiàn)代的晶體管已經(jīng)小到用幾十個原子來衡量，工程師根本就沒有可發(fā)揮的空間了。從1971年的4004發(fā)布到2016年中，摩爾定律的鐘聲一共敲響了22次。該定律要想延續(xù)到2050年的話意味著這個鐘還要再響17次，其更深層次的意味是，那些工程師必須想出用比最小的元素氫原子還要小的元件開發(fā)出計算機的辦法。誰都知道，這是不可能的。

但企業(yè)會在物理規(guī)律終結(jié)前就先干掉摩爾定律，因為縮小晶體管的尺寸的好處已經(jīng)不如以往。摩爾定律之所以生效是因為一個相關(guān)的現(xiàn)象：“登納德縮放比例定律”（以1974年正式提出該現(xiàn)象的IBM工程師Robert Dennard的名字命名）。該定律指出，芯片元件的縮小是的芯片變快，耗電更少而且更容易制造。換句話說，元件更小的芯片是更好的芯片，正因為這樣，計算業(yè)一直在說服消費者每隔幾年就要花錢去購買最新型號。但這個舊魔法正在失去魔力。

縮小芯片尺寸不再像以往那樣讓它們跑得更快或者更有效率了。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其經(jīng)濟收益。比第一定律實現(xiàn)更輕松一點的摩爾第二定律指出，所謂的“代工廠”的成本每4年就要翻番。一臺現(xiàn)代的機器差不多要100億美元。哪怕是對于英特爾來說這也是很大一筆錢。

其結(jié)果是硅谷專家已經(jīng)形成了一個共識，摩爾定律正在接近終結(jié)。管理著硅谷的一家分析機構(gòu)的Linley Gwennap 說：“從經(jīng)濟角度來說，摩爾定律已經(jīng)死了?！盜BM研發(fā)負責人Dario Gil也有著類似的坦率：“我絕對可以這么說，計算的未來不再只能取決于摩爾定律了?！鼻坝⑻貭栃酒O(shè)計師Bob Colwell則認為，到2020年代初業(yè)界也許還可以把芯片做到元件間隔只有5納米大小——“但你很難說服我還能做得小很多”。

換句話說，過去50年以來最強大的一股技術(shù)力量很快就要走到終點。以為計算機仍將以令人窒息的速度變得越來越好越便宜已經(jīng)成為大家對未來根深蒂固的想法。從無人車到更好的人工智能乃至于永遠更吸引人的電子產(chǎn)品，它構(gòu)成了許多有關(guān)技術(shù)方面預(yù)測的基礎(chǔ)。摩爾定律的終結(jié)并不意味著計算機革命就會停滯。但它的確意味著未來幾十年的樣子會跟過去幾十年很不一樣，因為替代者當中沒有一個能像過去半個世紀的持續(xù)大瘦身那般，如此的可靠，如此的可重復(fù)。

智能手機蘊藏的計算能力超過1971年是整個國家的總和，充電一次就可以跑一整天

摩爾定律讓計算機變小了，從一頭擠滿整個房間的巨頭變成了一塊苗條到可以放進兜里的平板。摩爾定律還讓計算機變得更省了：一部蘊藏的計算能力超過1971年整個國家總和的智能手機充電一次就能用上一整天。但它最出名的效應(yīng)還是讓計算機變得越來越快。到2050年，也就是摩爾定律變成古代史的時候，工程師必須運用一連串手段才能讓計算機越來越快。

有些勝利比較容易取得。更好的編程就是其中之一。摩爾定律過去令人窒息的節(jié)奏使得軟件公司幾乎沒有時間對自己的產(chǎn)品進行合理化。他們的客戶每隔幾年就會購買更快的機器，這一點又進一步弱化他們優(yōu)化軟件的動機：加速執(zhí)行拖沓的代碼的最簡單方式就是等，等硬件用1、2年的時間跟上就行了。隨著摩爾定律前進的步伐開始放緩，計算業(yè)著名的短產(chǎn)品周期可能就要開始延長了，這讓程序員有了更多的時間去打磨自己的工作。

另一條路子則是犧牲通用的數(shù)學計算能力，設(shè)計專用的硬件芯片?，F(xiàn)代芯片開始采用專門的電路設(shè)計來加速一些常見的任務(wù)，比如電影解壓、執(zhí)行加密或者用于視頻游戲的復(fù)雜3D圖像繪制所需的復(fù)雜計算。隨著計算機擴散到了各種各樣的產(chǎn)品內(nèi)，此類專門芯片會變得非常有用。比方說無人車，對機器視覺的利用會越來越多，也就是計算機學會對現(xiàn)實世界的圖像做出解析，對對象進行分類并且析取信息，而這是對計算要求很高的任務(wù)。專門電路可提供重大的性能提升。

IBM認為3D芯片可讓設(shè)計師將目前占到一棟大樓的超級計算機的尺寸縮小到一個鞋盒那么大。

然而，計算要想以人人習以為常的高速度改進下去的話，就需要更激進的改變。讓摩爾定律延續(xù)下去的想法之一是把它放入到第三個維度?，F(xiàn)代芯片基本上都是扁平化的，但研究人員正在研究新的玩法，把元件堆疊起來。即便此類芯片的封裝無法再縮小，堆焊將讓他們的設(shè)計師裝填更多的元件，就像面積一樣的高層建筑能比低層建筑容納更多的人一樣。

首款此類設(shè)備已經(jīng)面世：韓國的微電子巨頭三星銷售的一款硬盤，其內(nèi)存芯片就是堆疊了好幾層的。這項技術(shù)前景非?？捎^。

現(xiàn)代計算機把內(nèi)存設(shè)計離處理器只有幾厘米的距離。對于硅晶體來說，幾厘米就是很遠的距離了，意味著只要需要獲取新數(shù)據(jù)就會有重大的延遲。3D芯片可能可以通過處理邏輯層與內(nèi)存層梅花間竹的方式消除這一瓶頸。IBM認為，3D芯片可讓設(shè)計師將一臺目前擠滿一棟建筑的超級計算機縮小到一個鞋盒的大小。

但要想讓這一辦法見效需要一些根本性的設(shè)計改變。現(xiàn)代芯片跑起來已經(jīng)發(fā)燙，需要散熱片和風扇來將其冷卻。3D芯片情況可能會更糟，因為可用來散熱的表面區(qū)域增長的速度會比發(fā)熱來得更慢。出于同樣的原因，讓足夠的電子和數(shù)據(jù)進入這樣一個芯片來保持供電以及提供用于處理的數(shù)字也會遇到問題。IBM的鞋盒超級計算機也因此需要液冷機制。微通道會注入到每一塊芯片內(nèi)，讓冷卻的液體可以流過去。與此同時，該公司認為冷卻劑也可兼作電源。其想法是用它來作為液流電池的電解液，而電解液會流經(jīng)固定電極產(chǎn)生電能。

還有更另類的想法。量子計算建議利用有違直覺的量子力學規(guī)則來開發(fā)機器，不管之前解決起來有多快或者多高科技，這種機器可以比任何傳統(tǒng)計算機快得多的方式來解決特定類型的數(shù)學問題（但對于許多別的問題來說，量子機器將毫無優(yōu)勢）。其最著名的應(yīng)用是破解一些密碼，但它們最重要的應(yīng)用也許是精確模擬化學過程的量子細節(jié)，這個問題在制造和工業(yè)方面有成千上萬中用途，但傳統(tǒng)機器對此幾乎完全措手無策。

10年前，量子計算僅限于大學內(nèi)投石門路式的研究。但這段時間以來好些大型機構(gòu)，包括微軟、IBM和Google在內(nèi)都在往這項技術(shù)投入資金，它們?nèi)碱A(yù)測量子芯片應(yīng)該在未來10或20年內(nèi)面世（的確，任何人要是對此感興趣都可以遠程玩玩IBM的量子芯片了，只用通過互聯(lián)網(wǎng)對它進行編程即可）。

一家名為D-Wave的加拿大公司已經(jīng)在銷售功能有限的量子計算機，這種量子計算機只能執(zhí)行一種數(shù)學功能，但還不清楚這種專門的機器是否真的比非量子的計算機更快。

就像3D芯片一樣，量子計算機需要特殊的關(guān)照和輸送。量子計算機要想工作的話，其內(nèi)部必須與外部世界隔絕。量子計算機必須用液氮冷卻到差不多絕對零度的水平，并且要靠復(fù)雜的屏蔽保護起來，因為哪怕是最小的熱脈沖或者電磁波都有可能破壞此類機器所依賴的量子態(tài)。

但這些預(yù)期的改進每一項都存在限制：要么獲益是一次性的，要么只適用于特定類型的計算。摩爾定律最大的優(yōu)勢是每幾年就會以節(jié)拍器般的規(guī)律性改進一切。但未來的進展會變得更零碎，更難以預(yù)測，更不穩(wěn)定。還有，跟輝煌歲月不一樣的是，尚不清楚這些當中任何一個會轉(zhuǎn)化為消費者產(chǎn)品。畢竟嘛，幾乎沒有人會愿意要一臺低溫制冷的量子PC或者智能手機。液體冷卻也一樣，因為這個東西很笨重、亂七八糟的而且很復(fù)雜。即便針對特定任務(wù)開發(fā)專門邏輯也只有在經(jīng)常使用的情況下才值得。

但所有這三種技術(shù)在數(shù)據(jù)中心都可以很好工作，這樣的話就能幫助未來幾十年的另一個大趨勢提供動力。傳統(tǒng)上，計算機一直都是擺在你桌面或揣在兜里的。在未來，互聯(lián)網(wǎng)以及移動手機網(wǎng)絡(luò)所提供的日益無所不在的連接會讓很大一部分的計算能力藏在數(shù)據(jù)中心上面，客戶在需要的時候使用就行了。換句話說，計算會變成按需使用的公用設(shè)施，就像今天的電力或者水一樣。

從用戶實際交互的平板上移除負責重計算載荷硬件的能力被稱為“云計算”，這會是業(yè)界抵消摩爾定律消亡影響的最重要手段之一。數(shù)據(jù)中心跟只能長那么大的智能手機或者PC不一樣，前者只要建得大一點就能提供更多的計算能力。隨著世界對計算的需求不斷擴大，越來越多的處理將會發(fā)生在距用戶千里之遙的數(shù)據(jù)中心里面。

Google位于俄勒岡達爾斯的數(shù)據(jù)中心。隨著世界對計算的需求不斷擴大，越來越多的處理將會發(fā)生在距用戶千里之遙的數(shù)據(jù)中心里面。

這件事情已經(jīng)在進行中。就拿蘋果額度語音助手Siri來說吧。解碼人的講話然后理解像“Siri，給我找一家附近的印度餐廳?！边@樣的指令背后的意圖需要的計算能力是iPhone所不具備的。相反，手機只是錄制用戶的語音然后把信息轉(zhuǎn)交給蘋果某個數(shù)據(jù)中心的一臺威力強大的計算機。一旦遠程計算機想出了合適的回應(yīng)之后，它再把信息回傳給iPhone。

同樣的模式可以應(yīng)用的地方遠不止智能手機。從汽車到醫(yī)用植入物到電視、熱水壺等，芯片已經(jīng)滲透到正常情況下不被視為計算機的地方，而且這一進程還在加速。這就是所謂的“物聯(lián)網(wǎng)（IoT）”，將計算嵌入到幾乎所以可能的物體上。

智能服裝會用家庭網(wǎng)絡(luò)來告訴洗衣機采用什么樣的設(shè)定；智能鋪路板會監(jiān)控城市里的行人交通，告訴政府詳細的空氣污染情況。

再次地，我們現(xiàn)在已經(jīng)可以對未來管中窺豹：比方說，像羅爾斯-羅伊斯這樣的公司，其工程師甚至現(xiàn)在已經(jīng)在監(jiān)控飛行中的各個飛機引擎的數(shù)十個性能指標。讓戶主通過智能手機控制從照明到廚房設(shè)備等一切的智慧家庭中心，現(xiàn)在已經(jīng)在早期采用者當中流行。

但物聯(lián)網(wǎng)要想充分發(fā)揮潛能將需要一些手段來利用數(shù)十億嵌入式芯片產(chǎn)生的數(shù)據(jù)洪流。物聯(lián)網(wǎng)芯片本身不會去處理這些任務(wù)：比方說嵌入在智能鋪路板里面的芯片必須盡可能的成本低廉，而且耗電必須非常少：因為把每一塊鋪路石都接入電網(wǎng)是不切實際的，此類芯片必須從熱能、走路的勢能或者甚至周圍環(huán)境的電磁輻射中獲得能量。

那么，隨著摩爾定律陷入困境，對“更好”的定義將會發(fā)生改變。除了上述列舉的道路以外，其他許多的路徑看起來也很有希望。比防暑，很多的努力被放到改善計算機的能效上。出于幾個原因這一點很有意義：消費者希望自己的智能手機擁有更長的電池續(xù)航能力；物聯(lián)網(wǎng)需要計算機部署在主電源難以企及的地方；計算目前所消耗的電量已經(jīng)占到了全球發(fā)電量的2%。

用戶界面是另一個改進時機已經(jīng)成熟的領(lǐng)域，因為今天的技術(shù)已經(jīng)很古老了。鍵盤是機械打字機的直屬后代。鼠標早在1968年就發(fā)明出來了，而用友好的圖標和窗口取代晦澀的文字符號的“圖像用戶界面”（比如Windows或者iOS）也是一樣的上了年紀。歐洲的粒子物理學實驗室在1970年代就引領(lǐng)了觸摸屏的先驅(qū)。

計算機鼠標是在1968年首次出現(xiàn)的。

Siri也許會離開你的手機變得無所不在：人工智能（及云計算）將使得幾乎任何機器都可以僅靠對話就可以控制。三星已經(jīng)在制造語音控制的電視。

目前應(yīng)用在虛擬現(xiàn)實視頻游戲的手勢跟蹤、眼球跟蹤等技術(shù)也許也會變得有用。增強現(xiàn)實，這個把計算機生成信息疊加到現(xiàn)實世界之上的虛擬現(xiàn)實的近親，將開始把虛擬和現(xiàn)實融合在一起。Google也許已經(jīng)把它的Glass AR眼鏡重新開始，但有朝一日某種非常類似的東西必將找到用武之地。而且這家公司還在攻關(guān)電子隱形眼鏡，這種眼鏡也能執(zhí)行類似的功能但侵擾性會小很多。

摩爾定律不可能一直延續(xù)下去。但它消逝的時候，消逝的將是它的重要性。當你的計算機限制在一個你桌面的盒子里面時，當計算機執(zhí)行許多急需的任務(wù)很慢時，摩爾定律就非常重要。它為一個龐大的全球產(chǎn)業(yè)設(shè)定了主節(jié)拍，未來少了它的話計算的進展會變得越來越困難、越來越斷斷續(xù)續(xù)、越來越?jīng)]有規(guī)律。但我們?nèi)匀粫〉眠M展。2050年的計算機將是一個微型芯片嵌入到從櫥柜到汽車的一切的系統(tǒng)。它們大部分都將能通過無線、通過互聯(lián)網(wǎng)訪問到海量的計算能力，而你通過跟它們對話就能交互。上萬億的微型芯片將會散布到物理環(huán)境的每一個角落，使得我們的世界更加可理解更加可監(jiān)控。摩爾定律也許很快就會消失。但計算革命不會。

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