摩爾定律會失效，但計算機革命不會停止

Credit：瑞景創意

1971年，英特爾還沒有走進人民大眾的視野之中，同年其發布了第一款晶元4004，這款跨時代的產品讓英特爾成為了一個響噹噹的名號。4004是世界上第一款在市場上發行的微處理器，其具備在一方元件上，運行大量電路的能力。這在當時還是一個很難想像的東西，它擁有2300個小晶體管，每個晶體管僅僅有1000毫微米，差不多和人類的紅細胞這麼大。其中，每個晶體管就是一個電子開關，能夠在「on」和「off」之間切換，通過開與關完成二進位的運算，這是所有數碼信息的基礎。

2015年，英特爾作為晶元界的老大哥，大概交了五百多個億的稅點，同年其發布了五代處理器：天河。公司沒有公布具體數據，但據猜測，該晶元中大概具備15億個晶體管。每個晶元大概有14微毫米，這差不多和可見光的波長一樣大。

當今電腦性能已是過去電腦性能的許多倍，但是究竟快了多少倍很難去描述。有人將其與汽車進行對比：如果將1971年的破車換上2015年的天河晶元，那麼這輛車的車速將飆到420000000 Km/h，四捨五入大概是光速的三分之二。感覺很快對不對？但是在2017年，這個速度還將翻一番。

這恰恰符合了1965年英特爾公司大佬戈登·摩爾提出了一個觀察報告，摩爾注意到：每兩年晶元中元件的數量都會增加一倍。摩爾定律似乎已經成為了行業的一個標杆，各大晶元公司競相追求。每年像是英特爾與台灣半導體產業公司都會花費數十億美元來開發出更小的計算機元件來加入計算機晶元之中。在這個競相追尋的世界上，摩爾定律構建出了一個晶元帝國，晶元被用於各種各樣的電器之中，這也讓人們有信心去相信終有一天機器人將代替人類完成所有的工作。

但是力量終有用竭之時，縮小晶元中的元件變得越來越難，當今的晶體管的大小已經要用原子來計數，工程師們也是做到頂天了。從1971年4004發布以來，摩爾定律已經添加了被驗證了22次，而到了2050年，這個定律還將被驗證17次，工程師們通過計算到時候處理器中的電子管元件將會像氫原子那麼大，這就到了極限。很明顯，這是不可能被實現的。

然而，限制摩爾定律的不僅僅有物理定律，在經濟上摩爾定律也在面臨著窘境。摩爾定律被另一個相似的定律所賦予新的意義，這個定律叫做唐納德縮放比例定律。這一定律在1974年被一位IBM的工程師羅伯特·唐納德所提出來。該定律表示：縮小晶元中的元件能夠使晶元的速度更快，也更省電、更便宜。也就是說，擁有更小元件的晶元就是更好的晶元。這也是電腦製造商忽悠消費者換電腦的理論支持之一。但是這就是瞎扯淡。

晶元已經不再像以前那樣，越小的元件就讓電腦運行的更快、更高效。相反，變得更高更快的僅僅是晶元的價格。摩爾定律的實現變得越來越難，投入到晶元開發的資金也越來越多，甚至有些公司打算將摩爾定律修改為每四年翻一番。對晶元僅僅進行一些細微的升級就要花費數百億美元。就算是英特爾這種大公司，也經不起這種花銷。

其實矽谷的專家已經達成了共識：摩爾定律就要失效了。「從經濟層面上講，摩爾定律已經走到頭了。」矽谷的分析師 Linley Gwennap斷言到。Dario Gil是IBM的研究發展部門的部長，他也言簡意賅的說明了摩爾定律的終結。「我就直說了吧，未來的計算機將不再和摩爾定律扯上關係。」Bob Colwell是英特爾公司的設計師，他認為他們公司在2020年能夠將晶元中的元件縮小到5毫微米，「但是在5毫微米的量級上再進一步，就超越我的認知了。」

技術上的重大革新主要發生在過去的50年，技術革新也越來越難。人們對於計算機的幻象也將破滅，計算機並不會在短時間內變得更快、更便宜。人類總是善於化解尷尬，革新處理器這條路行不通，人們又提出了一些新的技術預測，包括自動駕駛、人工智慧，或者一些引人注目的小部件。除了開發新處理器，我們還是有各種各樣的手段來提高電腦的體驗度的嘛。摩爾定律走到盡頭，並不意味著計算機的革命停滯不前。相反，未來的十年將會是不一樣的十年，未來的計算機將走向何方，我們是不可知的，也許是提高計算機的壽命也許是將計算機的體積變得更小。

摩爾定律使電腦變得更小，主機從一間房子大小的東西變成了可以裝在口袋裡的小玩意。也使計算機的價格變得更親民，手機的計算能力能與計算機的計算能力相互媲美，而且裝上一塊小電池就能供上設備的運行。當然摩爾定律最重要的影響還是讓電腦變得更快。2050年，摩爾定律將變為歷史，那時候工程師們必須要利用其它的手段來使電腦變得更快，而不是僅僅關注於處理器的性能。
想要做到在不改變處理器的基礎上對電腦性能進行改變其實並不難。首先我們可以提高設計。摩爾定律革命性的一點是硬體的生產與軟體聯繫不再特彆強，這樣就為流水生產處理器提供了可能。但是顧客們的消費理念有時候也會削弱設備的生產。顧客們覺得只要等上兩三年就能有下一代機器上市，到時候再換台電腦就好了。隨著摩爾定律逐漸淡出人們的視野，電腦換代所用的時間也將延長，這也會給項目開發商更多的時間來設計他們的產品。

另外能夠給晶元帶來新力量的是一些特殊化的應用。現在晶元開始應用於一些專門的運算之中，例如用於電影的解壓、用於破解密碼、或者用於遊戲中的一些複雜的3D模型的建立，這些任務一般的處理器是帶不動的。由於計算機應用於各行各業，一些特殊用途的矽片將會被大量需求。就拿自動駕駛汽車來說，設備應該具有強大的機器視力，電腦能將現實世界中的視覺影像轉變為機械語言，提取其中的有用的信息，這都對計算機的硬體有較高的要求。這些特殊的應用將極大地促進一些專門的電路板的開發。

Credit：瑞景創意

然而，人民大眾都覺得計算機的更新速度應該還會更快。其中有些觀點認為我們可以在三維上對晶元進行改進。現在的晶元都是平的，有人認為可以把晶元摞起來，弄成一層一層的那種。雖然這樣理論上是可以的，但就要求設計師充分利用好每一寸的空間，正如高樓大廈能住進更多人的道理一樣。

其實三星已經進行了這種垛迭式的設計，這種技術存在著巨大的應用空間。

當今計算機的內存都和處理器相距一段距離，而對於矽片來說一厘米都是很長的距離，所以讀取與運算會有一定的延遲。而SD晶元的這種三明治式的設計則會減少延遲，將內存與處理器設計在一塊。IBM估計，3D晶元能能將一些超級電腦的體積變得更小。

採用這種設計需要進行一些原則上的改變。現代計算機發熱已經是十分嚴重了，需要有強大的散熱片與風扇來保持散熱。3D晶元必然面臨散熱的問題，在表面進行散熱處理很難達到預想的效果。考慮到了散熱這一因素，就很難將電與數據充分地運送到處理器進行運算。IBM的超級計算機就是考慮到散熱問題，只能用水冷的方法完成散熱。處理器內有許許多多的孔道讓液體流入，從而完成冷卻。IBM相信水冷能讓冷卻效率提高一倍。

除了摞處理器，還有人提出了其他想法。量子計算機這一想法就很有跨越性，量子計算機打破了傳統計算機的設計理念，利用量子機制來組建計算機，其運算速度當然是沒的說。但是量子計算機面臨的最大問題是如何模擬量子的微弱的變化，這個監測量子變化的難題在各行各業都是厄待解決的問題，但是到現在仍然沒什麼頭緒。
十年前，量子計算機僅僅在高校中進行一些實驗性質的探索，但是最近幾年，幾家大公司像是微軟、IBM、谷歌都投了大錢來進行相關技術的研究。他們都覺得在未來十年甚至二十年，量子計算機將引領世界。
加拿大有家D-Wave公司已經開始了批量生產量子計算機，但是抱歉，它不能打遊戲，它只能進行數學運算。而且現在還不清楚其運算速度是否高於非量子計算機。

像是3D晶元、量子計算機這種東西，都需要提供一些苛刻的條件，一台量子計算機，如果能夠正常的運行，必須將其用鐵板與外界進行隔絕。此外，量子計算機只能用液氮進行冷卻，而且在量子計算機內部，一個小小的電脈衝就會破壞計算機的核心部件，導致計算機癱瘓。

正應了那句老話：理想很豐滿，現實很骨感。量子計算機的運算幾乎是一次性機器，而且只能進行枯燥的數學運算。未來的路將會越來越難走，遇到的問題也會變得越來越不可預知。現在已經不是過去的黃金時代了，我們也不知道未來什麼東西能轉變為產品。終究我們不能在家放一台液氮冷凝的計算機吧？而水冷計算機又是複雜笨重的。

現如今，手機與計算機已經成為了我們口袋中和辦公桌上的必備之物。未來，由於智能設備的普及與互聯網的擴展，大量數據將被上傳至伺服器，我們都在無時無刻地與那些資料庫進行交互，彷彿我們成了魚鉤上面的魚，而伺服器變成了魚竿。換句話說，智能設備已經變成了像是水與空氣一樣的必需品了。

Credit：瑞景創意

雖然說我們的手機的尺寸在逐漸變小，但是伺服器的大小卻在逐漸突破著極限。由於世界範圍內對於計算機的需求，未來的伺服器可能被放置在成百上千平米的大倉庫里，滿足著消費者的需求。

其實未來並不遙遠，抬頭望望天空，有些公司已經翱翔天際。蘋果公司的Siri，能在人類眾多話語中解碼到潛在的指令：「嘿！Siri！幫我找到附近的大酒店」。其實這些解碼用到的並不是iPhone的運算，而是將收集到的語音上傳到蘋果公司的資料庫，再由資料庫進行解碼，解碼完成後根據任務完成相關搜索，再將搜索結果下載到客戶端，反饋給用戶。

這種任務處理模式不僅僅用於智能手機上。幾乎所有基於晶元的機器都能應用起這種模式，包括汽車、醫療設備、智能電視、智能水壺。還有那些聯網設備(internet of things，IoT)，幾乎所有可能聯網的設備都被連上了網，連在了智能終端之上。

智能衣服能告訴家裡的洗衣機用哪種洗衣模式；智能鋪路石能監視路上的交通情況，還能收集空氣質量情況，將收集到的信息反饋給市政部門。

未來確實逐漸展現在我們眼前，一些公司的工程師們甚至能在飛機上設置多個探測器來監控噴氣引擎的狀態，實現實時的反饋。家用的智能集成系統能利用自己的智能手機控制房間里的所有燈泡，這種理念也逐漸被大眾所接受。

IoT的實現是建立在大量晶元的基礎上的，設備實時上傳設備信息至終端之上。就拿智能鋪路石來說，將晶元植入鋪路石內，晶元的價格應該不能太貴，而且要有足夠的電力供給運行。將鋪路石接入電網之中是不可能的，還有就是鋪路石的晶元不能被水淹沒，還要足夠耐熱、耐震動、耐電磁干擾。

隨著摩爾定律的消逝，我們對於「好」的定義也將發生變化。除了要在整體上超越平均水平，一些其他的要求也開始被提出。例如，有些公司開始強調設備的續航能力。之所以強調續航是有原因的，首先就是，用戶想讓他們的電池壽命更長；其次，IoT設備不太可能都通上電線，如果每天都要充電，這智能設備意義也不是太大；此外，堆積成山的電腦正在消耗世界上2%的電量。

用戶界面的友好程度是另一個待提高的方面，因為相對於硬體設備的提升，用戶的友好度的改進還是挺有限的。鍵盤上我們設計出了機械鍵盤，滑鼠在1968年就問世了，當時Windows用滑鼠代替了一些口令，使得用戶體驗得到了巨大的飛躍。七十年代，觸摸式屏幕在歐洲的Cern物理實驗室問世。現在Siri的問世也算是用戶體驗提升的產物，人工智慧幾乎能對設備完成所有關的控制，代替滑鼠和鍵盤。三星就在計劃設計出一部聲控的手機。

Credit：瑞景創意

一些新的技術，例如手勢追蹤、視線追蹤將有效的促進遊戲產業的發展。增強現實技術(AR)與虛擬現實技術類似，其依託計算機而產生的信息已經超越了現實世界中的信息。谷歌公司已經將谷歌眼鏡與智能畫板相互結合，但是如何發揮AR的功效還要拭目以待。谷歌公司還在開發一種電子隱形眼鏡，這樣就增強了眼鏡的便攜度。
摩爾定律不會永遠繼續下去，但是隨著摩爾定律落下帷幕，新的東西也將展現在人們眼前。計算機可能變得更小，可能運行的更快。計算機成了全球工業化的中流砥柱，而計算機的革新變得越來越舉步維艱。不過可以肯定的是，計算機革命一定不會停止的。2050年，小小的晶元可能根植於任何你能想像到的事物之內。這些智能設備將會擁有更強的續航能力來供給高速率無線傳輸，也許你只需一句話就能啟動任何你需要的電器。晶元將分布於世界上任何一個角落，收集著任何能收集到的信息，讓世界感知起來更容易。

總之，摩爾定律會失效，但計算機革命將不會停止。

本文譯自 theguardian，由譯者 Itit 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！