【1971-2050 計算革命簡史】從摩爾定律到“消失”的計算機
導讀
《衛報》特稿，摩爾定律快要走到盡頭，但計算革命不會終止。更好的軟件編程、3D芯片和量子計算等方法應運而生，其中云計算將成為業界應對摩爾定律消亡的最佳手段，物聯網(IoT)的興起將讓我們逼近一個“消失點”，此前計算機的形體從大到小，此后計算機將變得“無形”，使計算無處不在，智能融入日常生活。
1971年，其時名不見經傳后來名震硅谷的英特爾發布了一款名為 4004 的芯片。這是世界上首個商業微處理器，它將所有電子電路都整合在了單一的一個微小包裝里，這在當時是個奇跡。這款芯片有 2300 個晶體管，每個晶體管寬約 1 萬納米，相當于一個紅細胞的大小。
2015年，已經是全球領先芯片制造商、當年年收入超過550億美元的英特爾發布了 Skylake 芯片。英特爾公司沒有公布具體的數字，但推測 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
人人都知道現代的計算機比以前的好，但很難說清楚具體怎么個好法，因為其他再沒有什么消費者科技產品比計算機發展得還要快。世人常用汽車來類比：如果從1971年開始，汽車也以與計算機芯片相同的速度發展，那么到2015年最新型的汽車最高時速將達到每小時 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就能在展廳里展出了。
這種飛速的進步是 1965 年由英特爾的創始人戈登·摩爾首次觀察并且提出結果。摩爾指出，可以擠在集成電路上的電子元件數量每年都會增加一倍。后來這個數字修改為每兩年，從此“摩爾定律”為整個計算機行業設定了步伐。每年，英特爾和臺積電等公司花費數十億美元來計算如何縮小進入計算機芯片的組件。一路走來，摩爾定律幫助建立了一個世界，在這個世界里芯片被植入從水壺到汽車各種東西里，數百萬人在虛擬世界中放松，金融市場由算法操控，專家擔心人工智能將很快取代人從事所有的工作。
但摩爾定律的推動力量幾乎也要走到盡頭。每次你制作芯片時，縮小芯片的元件變得越來越困難，而現代晶體管的特性只有幾十個原子，能夠改善和提升的空間已經不夠用了。從1971年的4004年推出到2016年年中，摩爾定律大約走了22步驟。要按照這個速度發展到2050年，意味著還要往前推進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構建計算機。任何人都知道，這是不可能的。
不過，早在物理定律讓摩爾定律失效前，商業的法則就會先將其淘汰，因為從經濟利益上說，縮小晶體管的體積已經沒有那么有效了。在摩爾定律之后，又出現了一種名為“Dennard scaling”的現象(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行速度更快、消耗更少的功率，生產起來更加便宜。換句話說，具有較小組件的芯片是更好的芯片，這也是為什么計算產業能夠說服消費者每隔幾年就推出一款最新的型號。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，制造芯片所需的超精密設備的成本不斷上升正在侵蝕芯片制造的經濟利益。摩爾提出的第二條定律說，“鑄造廠”的成本每四年翻一番。一個現代的芯片制造廠，成本大概需要 100 億美元。即使對于英特爾來說，這也是很多錢。
結果就是硅谷專家達成了共識，摩爾定律已經接近尾聲。“從經濟角度看，摩爾定律已經死了，”運營一家硅谷分析公司的Linley Gwennap說。IBM的研發主管Dario Gil同樣坦率地說：“我斷言計算的未來不能只是依靠摩爾定律。”英特爾前芯片設計師Bob Colwell認為，芯片產業可能到20世紀20年代初，制造出制程僅有 5 納米的芯片——“但你要說再那個基礎上變得更小就很難讓我相信了。”
“后摩爾定律時代”的芯片
換句話說，過去 50 年中最強大的技術力量之一很快就將走到盡頭。然而，計算機將以驚人的速度繼續變得更好和更便宜，已經成為人們根深蒂固的想法，也是未來許多技術發展預測的基礎，從無人駕駛汽車到更好的人工智能和更引人注目的消費者電子產品。實際上，除了縮小芯片的組件，還有其他的方法使計算機變得更好。摩爾定律的結束并不意味著計算機革命將就此停滯。不過，摩爾定律的結束確實意味著未來幾十年將與前幾個世紀大為不同，因為沒有什么能比過去半個世紀以來芯片體積的持續縮小更加可靠或可重復的了。
摩爾定律使計算機變得更小，將它們從占據整個房間的巨獸轉變為多層靈活安裝的電路板。摩爾定律也使計算機變得更加實用：如今一臺智能手機的計算力比1971年全美國可用的計算能力加起來都多，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算機變得更快。到2050年，當摩爾定律已成為古老的歷史時，工程師們將不得不使用一系列其他的技巧讓計算機的運行速度變得越來越快。
有一些簡單的方法。一是更好的編程。在過去，摩爾定律的突破性步伐使軟件公司沒有時間精簡他們的產品。事實上，他們的客戶會每隔幾年就會購買更快的機器這個事實進一步削弱了激勵軟件公司完善編程的想法：加速運行緩慢的代碼最簡單的方法可能只是等待一兩年，當硬件的速度趕上就可以。隨著摩爾定律的衰落，計算機行業短暫的產品周期可能會開始延長，這將給程序員更多的時間來打磨他們的工作。
另一個則是改善芯片設計。現代芯片開始具有專用電路，設計來專門為常見的任務，諸如解壓縮電影、加密或繪制在視頻游戲中使用的復雜3D圖形等復雜計算加速。隨著計算機普及到各種其他產品中，這種專用芯片將是非常有用的。例如，自動駕駛汽車將越來越多地利用機器視覺來解釋現實世界中的圖像，分類對象和提取信息，這些都是對計算量要求很高的任務。而專用電路將帶來顯著的性能提升。
然而，為了使計算能力以每個人都習慣的速度不斷提高，還需要更為激進的東西。其中一個想法便是試著將摩爾定律推動到第三維。現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，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域比低層房屋容納更多的居民。
第一個這樣的設備已經上市：韓國微電子公司三星銷售的硬盤驅動器，內存芯片就采用了三維堆疊技術。 該技術具有巨大的前景。
現代計算機將它們的存儲器安裝在距離其處理器幾厘米的地方。在硅速度下，一厘米是很長的一段距離，這意味著每當需要提取新的數據時都會產生比較顯著的延遲。3D芯片可以通過在存儲器層之間夾入處理邏輯層來消除這一瓶頸。IBM認為，3D芯片可以使設計師將目前一棟樓那么大的超級計算機縮小到一個鞋盒的大小。
但要讓 3D芯片正常工作，還需要一些基本的設計更改。現代芯片在運行時會產生很多熱量，需要強大的散熱器和風扇來散熱降溫。3D芯片的產熱情況會更糟，因為相比二維芯片，3D芯片可用于散熱的表面積要小得多。出于同樣的原因，3D芯片的供電和數據輸入也要求新的技術。因此，IBM 所預想的只有鞋盒那么大的超級計算機將需要采用液體來冷卻。每個芯片都將有微孔允許冷卻液體流過。同時，IBM公司認為冷卻劑也可以作為一個電源。根據這種想法，液態的冷卻劑就像液態電池的電解質那樣流過固定的電極。
云計算將成為計算產業應對摩爾定律消亡最有效的手段之一
還有更加超前的想法。量子計算認為使用量子力學的反直覺規則來構建機器，能夠比任何常規計算機更快地解決某些類型的數學問題(對于許多其他問題，量子計算并不會帶來什么優勢)。量子計算最著名的應用是破解一些加密代碼，但是它們最重要的用途可能是準確地模擬量子化學問題，這在制造業和工業中有難以估量的用途，都是常規計算機難以解決的。
十年前，量子計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——都在投資這項技術，所有這些公司都預測，量子芯片應該在未來十年或兩年內可用(事實上，IBM已經開放了網上平臺，任何有興趣的人都可以利用IBM的量子芯片遠程編程)。
加拿大公司 D-Wave的已經賣出了一臺有限量子計算機，它只能計算一個數學函數，而且目前也不清楚這臺機器是否真的比非量子計算機運行得更快。
像3D芯片一樣，量子計算機也需要專門的護理和數據提供。對于量子計算機來說，它的內部結構必須與外界隔絕。量子計算機必須用液氦冷卻到逼近絕對零度的范圍，并且通過復雜的屏蔽保護，即使最小的熱脈沖或散亂的電磁波也能破壞量子機器所依賴的精確量子狀態。
然而，這些預期的改進作用都是有限的：它們帶來的增益是一次性的，或者只適用于某種類型的計算。摩爾定律的強大之處在于，它每隔幾年就帶來可以衡量的性能的有規律的提升。未來的進步將會更加艱巨，更加不可預測，更加不穩定。而且，與繁榮的往日不同，未來計算力的提升尚不清楚將如何轉化為消費產品。很少有人會想要一臺低溫冷卻的臺式量子計算機或智能手機，液冷技術也一樣，不僅重，而且不便隨身攜帶，設計上也十分復雜。在這種情況下，為特定任務構建專用的硬件也將是值得的，只要它能被定期使用的話。
但是，所有這三種技術都將很好地適用于數據中心，它們將有助于推動未來幾十年的另一個大趨勢。傳統上看，計算機已經是你的桌子上的一個箱子或口袋里的一個盒子。在未來，互聯網和移動電話網絡提供的愈發無處不在的連接，將使大量的計算能力隱藏在數據中心里，讓用戶在需要的時候使用它們。換句話說，計算將成為一個按需求使用的實用程序，就像今天的水或電一樣。
云計算將成為計算產業抵御摩爾定律消亡最重要的手段之一。與智能手機或PC不同，數據中心可以簡單地增加體積而變得更強大。隨著世界對計算的需求不斷擴大，越來越多的計算將在距離用戶數百英里外、陰暗的大型倉庫中發生。
這一過程也已經開始發生。拿蘋果的語音個人助理 Siri 來說，解碼人類的言語并計算出一個指令(比如“Siri，給我在附近找一家印度餐館”)背后的意圖，所需要的計算力比iPhone本身可用的更多。iPhone 只是記錄下用戶的聲音，并將信息轉發到蘋果數據中心里更強大的計算機。一旦遠程計算機找到了適當的響應，它會將信息再發送回iPhone上。
相同的模型可以應用的產品遠不止智能手機。芯片已經進入了通常不被視為計算機的東西，從汽車到電視和水壺再到醫療植入物，而且這個過程正在加速。“物聯網”(IoT)的理想是將計算嵌入幾乎每一個可以想象的對象之中。
智能服裝將使用家庭網絡告訴洗衣機使用什么設置來清洗自己;智能鋪路板將監測城市中的行人交通，并給政府提供詳細的空氣污染地圖。
再一次地，這一未來我們現在已經可見：勞斯萊斯等公司的工程師甚至可以監測飛行中單個噴氣發動機的幾十個性能指標。智能家居中心允許業主通過智能手機控制從照明到廚房電器的一切，這種服務在早期采用者中很是受歡迎。
但是，要讓物聯網實現其全部潛力，還需要一些方法來了解數十億嵌入式芯片帶來的數據洪流。物聯網芯片本身不能勝任這項任務：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：由于將單個鋪路石連接到電網不切實際，這樣的芯片將不得不從熱能、行人的腳步踩踏甚至是環境電磁輻射中獲取能量。
計算機產業革命將繼續
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有希望的方法。例如，現在有很多人正在研究如何提高計算機的能量效率。這有幾個原因：消費者希望他們的智能手機有更長的電池壽命;物聯網需要將計算機部署在電源不可用的地方;還有大量的計算已經消耗了世界發電量的2%。
用戶界面是另一個已經做好準備迎接改進的領域，今天我們所使用的技術已經十分古老了。鍵盤是從機械打字機直接發展而來。鼠標最初在1968年出現，所謂的“圖形用戶界面”(如Windows或iOS)也在當年誕生。歐洲的粒子物理實驗室 CERN 在20世紀70年代開創了觸摸屏。
1986年的第一個鼠標。來源：GettyImages/TheGuardian
Siri可能離開你的手機進而無所不在：人工智能(和云計算)讓使得任何機器——無論單獨看是如何的微小——只需通過談話就能控制。我們現在已經制作出了能夠使用語音控制的電視機。
事實證明，目前用于虛擬現實視頻游戲的手勢跟蹤和凝視跟蹤等技術也是有用的。增強現實(AR)也在混合虛擬和真實。谷歌的Glass AR頭盔雖然被打回了設計室，但類似的東西可能會在將來某天得到使用。此外，該公司正致力于研發能夠實現類似功能而不太具有侵入性的電子隱形眼鏡。
摩爾定律不會永遠持續。但隨著它的褪色，摩爾定律的重要性將愈發顯現。它給計算機這個規模宏大的全球產業一個主節拍器，沒有摩爾定律的未來計算的進步將變得更加困難、更不規則。但是，進步仍會發生。2050 年的計算機將是一個微小的芯片，這個芯片嵌入在從你的廚房柜臺到汽車里的一切系統。這些系統中的大多數將有機會通過互聯網無線傳輸獲得大量的計算能力，你將通過與房間對話與這些電子設備和電器互動。數以萬計的小芯片將分散在物理環境的每個角落，使世界更容易理解、更易于監控。摩爾定律很快就會結束。但計算革命仍將繼續。
