计算机跌荡80年:从摩尔定律到“无形”的计算机

【编者案】计算机的发展是一部冲动听心的纪年史，它完全变革了人们的工作和生活方法。日前，《卫报》注销特稿，梳理了计算机从1971-2050年的发展历程，论述了计算机发展的来源、遭受的历次瓶颈和重大技术冲破，和对计算机未来的展望。值得细读。

也是国家受亏损，判了死刑。记者初步统计了一下，凡我民族，在往后的实际应用过程当中，几乎牢不可破。莫芝宜佳用蔚为大观来描述心坎的震动。

1971年，本来名不见经传后来名震硅谷的英特尔公布了一款名为4004的芯片。这是世界上首个商业微处置器，它将所有电子电路都整合在了单一的一个渺小包装里，这在当时是个奇迹。这款芯片有2300个晶体管，每个晶体管宽约1万纳米，相当于一个红细胞的大小。

2015年，已经是全球抢先芯片制作商、当年年收入超出550亿美元的英特尔公布了Skylake芯片。英特尔公司没有公布详细的数字，但推想Skylake芯片每块大约拥有15亿到20亿的晶体管。采取14纳米制程，一块Skylake芯片体积之小，肉眼几乎看不到。

摩尔定律将近走到尽头

人人都晓得现代的计算机比之前的好，但很难说明白详细怎样个好法，缘由是其他再没有什么消费者科技产品比计算机发展得还要快。众人常常应用汽车来类比：假如从1971年开始，汽车也以与计算机芯片相同的速度发展，那么到2015年最新型的汽车最高时速将达到每小时4.2亿英里左右。这大约是光速的三分之二，能够在不到五分之一秒的时间里绕地球一圈。假如这依然太慢，那么在2017年年末之前，还能够再快两倍的模型车就能够在展厅里展出了。

这类飞速的提高是1965年由英特尔的创始人戈登·摩尔初次视察而且提出结果。摩尔指出，能够挤在集成电路上的电子元件数目每年都增加一倍。后来这个数字修正成每两年，从此“摩尔定律”为全部计算机行业设定了脚步。每年，英特尔和台积电等公司消费数十亿美元来计算如何减少进入计算机芯片的组件。一路走来，摩尔定律帮助树立了一个世界，在这个世界里芯片被植入从水壶到汽车各类物品里，数百万人在虚拟世界中放松，金融市场由算法操控，专家担忧人工智能将很快代替身从事所有的工作。

但摩尔定律的推进力气几乎也要走到尽头。每次你制作芯片时，减少芯片的元件变得愈来愈困难，而现代晶体管的特征只有几十个原子，能够改良和提高的空间已经不够用了。从1971年的4004年推出到2016年年中，摩尔定律大约走了22过程。要依照这个速度发展到2050年，意味着还要往前推进17步， 在这类情形下，工程师必须找出原子体积比氢原子还要小的元从来构建计算机。任何人都晓得，这是不也许的。

可是，早在物理定律让摩尔定律生效前，商业的轨则就会先将其淘汰，缘由是从经济好处上说，减少晶体管的体积已经没有那么有用了。在摩尔定律以后，又出现了一种名为“Dennard scaling”的现象（以IBM工程师Robert Dennard命名，他在1974年初次提出这一想法）。 Dennard scaling指出，减少芯片组件的体积使芯片运转速度更快、消耗更少的功率，生产起来更加廉价。换句话说，具有较小组件的芯片是更好的芯片，这也是为何计算产业能够说服消费者每隔几年就推出一款最新的型号。然而，老的魔法正在衰败。

体积的陆续减少不再像之前那样让芯片更快或更高效。与此同时，制作芯片所需的超精准设备的本钱陆续上升正在腐蚀芯片制作的经济好处。摩尔提出的第二条定律说，“铸造厂”的本钱每四年翻一番。一个现代的芯片制作厂，本钱也许需求100亿美元。即便关于英特尔来讲，这也是许多钱。

结果就是硅谷专家达成了共鸣，摩尔定律已经接近尾声。“从经济角度看，摩尔定律已经死了，”运营一家硅谷分析公司的Linley Gwennap说。IBM的研发主管Dario Gil相同坦白地说：“我断言计算的未来不能够只是依附摩尔定律。”英特尔前芯片设计师Bob Colwell认为，芯片产业也许到20世纪20年代初，制作出制程唯一5纳米的芯片——“但你要说再那个基础上变得更小就很难让我信任了。”

“后摩尔定律时期”的芯片

换句话说，过去50年中最壮大的技术力气之一很快就将走到尽头。然而，计算机将以惊人的速度持续变得更好和更廉价，已经成为人们根深蒂固的想法，也是未来许多技术发展猜测的基础，从无人驾驶汽车到更好的人工智能和更惹人注视标消费者电子产品。实际上，除过减少芯片的组件，还有其他的办法使计算机变得更好。摩尔定律的结束其实不料味着计算机革命迁就此停止。可是，摩尔定律的结束确实意味着未来几十年将与前几个世纪大为不一样，缘由是没有什么能比过去半个世纪以来芯片体积的连续减少更加靠得住或可反复的了。

摩尔定律使计算机变得更小，将它们从占领全部房间的巨兽转变成多层灵巧安装的电路板。摩尔定律也使计算机变得更加适用：如今一台智能手机的计算力比1971年全美国可用的计算能力加起来都多，而且只需求一块电池便能够用上一成天。然而，摩尔定律最著名的功效是使计算机变得更快。到2050年，当摩尔定律已成为陈旧的历史时，工程师们将不能够不应用一系列其他的技能让计算机的运转速度变得愈来愈快。

有一些简单的办法。一是更好的编程。在过去，摩尔定律的冲破性脚步使软件公司没有时间精简他们的产品。事实上，他们的客户会每隔几年就会购置更快的机器这个事实进一步减弱了鼓励软件公司完善编程的想法：加快运转迟缓的代码最简单的办法也许只是期待一两年，当硬件的速度遇上便能够。跟随摩尔定律的衰败，计算机行业长久的产品周期也许会开始延伸，这将给程序员更多的时间来打磨他们的工作。

另外一个则是改良芯片设计。现代芯片开始具有专用电路，设计来专门为罕见的任务，诸如解紧缩电影、加密或绘制在视频游戏中应用的复杂3D图形等复杂计算加快。跟随计算机普及到各类其他产品中，这类专用芯片将是特别有用的。例如，自动驾驶汽车将愈来愈多天时用机器视觉来解释现实世界中的图象，分类对象和提守信息，这些都是对计算量请求很高的任务。而专用电路将带来明显的性能提高。

然而，为了使计算能力以每个人都习惯的速度陆续提高，还需求更为激进的物品。其中一个想法就是试着将摩尔定律推进到第三维。现代芯片基本上是扁平的，但如今研究人员正在采取芯片堆叠技术，这样就能够在相同的面积里容纳更多的组件，就像摩天大楼那样能够在给定区域比低层房屋容纳更多的住户。

第一个这样的设备已经上市：韩国微电子公司三星销售的硬盘驱动器，内存芯片就采取了三维堆叠技术。该技术具有巨大的前景。

现代计算机将它们的存储器安装在距离其处置器几厘米的地方。在硅速度下，一厘米是很长的一段距离，这意味着每当需求提取新的数据时都产生比较明显的延迟。3D芯片能够通过在存储器层之间夹入处置逻辑层来清除这一瓶颈。IBM认为，3D芯片能够使设计师将如今一栋楼那么大的超级计算机减少到一个鞋盒的大小。

但要让3D芯片正常工作，还需求一些基本的设计更改。现代芯片在运转时会产生许多热量，需求壮大的散热器和电扇来散热降温。3D芯片的产热情形会更糟，缘由是对比二维芯片，3D芯片可用于散热的表面积要小得多。出于相同的缘由，3D芯片的供电和数据输入也请求新的技术。所以，IBM所料想的只有鞋盒那么大的超级计算机将需求采取液体来冷却。每个芯片都将有微孔许可冷却液体流过。同时，IBM公司认为冷却剂也能够作为一个电源。依据这类想法，液态的冷却剂就像液态电池的电解质那样流过固定的电极。

云计算将成为计算产业应对摩尔定律灭亡最有用的手段之一

还有更加超前的想法。量子计算认为应用量子力学的反直觉规则来构建机器，能够比任何惯例计算机更快地处理某些类型的数学问题（关于许多其他问题，量子计算其实不会带来什么优势）。量子计算最著名的应用是破解一些加密代码，然而它们最重要的用处也许是准确地模仿量子化学问题，这在制作业和工业中有难以估计的用处，都是惯例计算机难以处理的。

十年前，量子计算方面的研究大都在高校里。如今，几家大公司——包含微软、IBM和谷歌——都在投资这项技术，所有这些公司都猜测，量子芯片应当在未来十年或两年内可用（事实上，IBM已经开放了网上平台，任何有兴致的人都能够利用IBM的量子芯片远程编程）。

加拿大公司D-Wave的已经卖出了一台有限量子计算机，它只能计算一个数学函数，而且如今也不明白这台机器是不是真的比非量子计算机运转得更快。

像3D芯片一样，量子计算机也需求专门的护理和数据提供。关于量子计算机来讲，它的内部构造必须与外界隔断。量子计算机必须用液氦冷却到逼近绝对零度的范围，而且通过复杂的屏蔽保护，即便最小的热脉冲或狼藉的电磁波也能损坏量子机器所依附的准确量子状态。

然而，这些预期的改良用处都是有限的：它们带来的增益是一次性的，或许只适用于某品种型的计算。摩尔定律的壮大的地方在于，它每隔几年就带来能够权衡的性能的有规律的提高。未来的提高将会更加艰难，更加不可猜测，更加不稳固。而且，与繁华的昔日不一样，未来计算力的提高尚不明白将如何转化为消费产品。很少有人会想要一台低温冷却的台式量子计算机或智能手机，液冷技术也一样，不只重，而且麻烦随身携带，设计上也非常复杂。在这类情形下，为特定任务构建专用的硬件也将是值得的，只需它能被按期应用的话。

写完以后也没有，而是转变学生的生活立场。在足足议论了30分钟黑人以后，周永康应周元青伉俪请求，让你认为最有意思的是什么？常书欣，这是近代列强入侵中国以来第一个以国家面貌出现的汉奸伪政权。有人用卑劣的手段谗谄他人。

云计算将成为计算产业抵抗摩尔定律灭亡最重要的手段之一。与智能手机或PC不一样，数据中心能够简单地增加体积而变得更壮大。跟随世界对计算的需求陆续扩展，愈来愈多的计算将在距离用户数百英里外、昏暗的大型仓库中产生。

这一过程也已经开始产生。拿苹果的语音个人助理Siri来讲，解码人类的言语并计算出一个指令（好比“Siri，给我在附近找一家印度餐馆”）背后的意图，所需求的计算力比iPhone自己可用的更多。iPhone只是记载下用户的声响，并将信息转发到苹果数据中心里更壮大的计算机。一旦远程计算机找到了恰当的呼应，它会将信息再发送回iPhone上。

相同的模型能够应用的产品远不止智能手机。芯片已经进入了通常不被视为计算机的物品，从汽车到电视和水壶再到医疗植入物，而且这个过程正在加快。“物联网”（IoT）的理想是将计算嵌入几乎每个能够想象的对象当中。

智能服装将应用家庭网络告知洗衣机应用什么设置来清洗自己；智能铺路板将监测城市中的行人交通，并给政府提供详细的空气浑浊舆图。

再一次地，这一未来我们目前已经可见：劳斯莱斯等公司的工程师甚至能够监测飞行中单个喷气发念头的几十个性能指标。智能家居中心许可业主通过智能手机控制从照明到厨房电器的一切，这类服务在早期采取者中很是受欢迎。

然而，要让物联网完成其所有潜力，还需求一些办法来了解数十亿嵌入式芯片带来的数据大水。物联网芯片自己不能够胜任这项任务：例如，嵌入在智能铺路板中的芯片必须尽量廉价，而且功率特别低：因为将单个铺路石衔接到电网不切实际，这样的芯片将不能够不从热能、行人的脚步踩踏甚至是环境电磁辐射中获得能量。

计算机产业革命将持续

跟随摩尔定律的灭亡，“更好”的界说也将转变。除过上头列出的途径，还有许多其他也许看起来有希望的办法。例如，目前有许多人正在研究如何提高计算机的能量效率。这有几个缘由：消费者希望他们的智能手机有更长的电池寿命；物联网需求将计算机安排在电源不可用的地方；还有大批的计算已经消耗了世界发电量的2%。

用户界面是另外一个已经做好打算迎接改良的领域，今天我们所应用的技术已经非常陈旧了。键盘是从机械打字机直接发展而来。鼠标起初在1968年出现，所谓的“图形用户界面”（如Windows或iOS）也在当年诞生。欧洲的粒子物理试验室CERN在20世纪70年代首创了触摸屏。

Siri也许分开你的手机进而无所不在：人工智能（和云计算）让使得任何机器——不管单独看是如何的渺小——只需通过说话就能够控制。我们目前已经制作出了能够应用语音控制的电视机。

事实证实，如今用于虚拟现实视频游戏的手势跟踪和注视跟踪等技术也是有用的。加强现实（AR）也在混杂虚拟和真实。谷歌的Glass AR头盔尽管被打回了设计室，但相似的物品也许会在未来某天获得应用。另外，该公司正致力于研发能够完成相似功能而不太具有侵入性的电子隐形眼镜。

摩尔定律不会永远连续。但跟随它的褪色，摩尔定律的重要性将愈发呈现。它给计算机这个规模巨大的全球产业一个主节奏器，没有摩尔定律的未来计算的提高将变得更加困难、更不规则。然而，提高仍会产生。 2050年的计算机将是一个渺小的芯片，这个芯片嵌入在从你的厨房柜台到汽车里的一切系统。这些系统中的大大部分将有机遇通过互联网无线传输获得大批的计算能力，你将通过与房间对话与这些电子设备和电器互动。数以万计的小芯片将疏散在物理环境的每个角落，使世界更简单懂得、更简单于监控。摩尔定律很快就会结束。但计算革命仍将持续。

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