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摩尔定律会失效，但计算机革命不会停止

百家作者：程序员之家 2018-05-27 15:55:32

1971年，英特尔还没有走进人民大众的视野之中，同年其发布了第一款芯片4004，这款跨时代的产品让英特尔成为了一个响当当的名号。4004是世界上第一款在市场上发行的微处理器，其具备在一方元件上，运行大量电路的能力。这在当时还是一个很难想象的东西，它拥有2300个小晶体管，每个晶体管仅仅有1000毫微米，差不多和人类的红细胞这么大。其中，每个晶体管就是一个电子开关，能够在“on”和“off”之间切换，通过开与关完成二进制的运算，这是所有数码信息的基础。

2015年，英特尔作为芯片界的老大哥，大概交了五百多个亿的税点，同年其发布了五代处理器：天河。公司没有公布具体数据，但据猜测，该芯片中大概具备15亿个晶体管。每个芯片大概有14微毫米，这差不多和可见光的波长一样大。

当今电脑性能已是过去电脑性能的许多倍，但是究竟快了多少倍很难去描述。有人将其与汽车进行对比：如果将1971年的破车换上2015年的天河芯片，那么这辆车的车速将飙到420000000 Km/h，四舍五入大概是光速的三分之二。感觉很快对不对？但是在2017年，这个速度还将翻一番。

这恰恰符合了1965年英特尔公司大佬戈登·摩尔提出了一个观察报告，摩尔注意到：每两年芯片中元件的数量都会增加一倍。摩尔定律似乎已经成为了行业的一个标杆，各大芯片公司竞相追求。每年像是英特尔与台湾半导体产业公司都会花费数十亿美元来开发出更小的计算机元件来加入计算机芯片之中。在这个竞相追寻的世界上，摩尔定律构建出了一个芯片帝国，芯片被用于各种各样的电器之中，这也让人们有信心去相信终有一天机器人将代替人类完成所有的工作。

但是力量终有用竭之时，缩小芯片中的元件变得越来越难，当今的晶体管的大小已经要用原子来计数，工程师们也是做到顶天了。从1971年4004发布以来，摩尔定律已经添加了被验证了22次，而到了2050年，这个定律还将被验证17次，工程师们通过计算到时候处理器中的电子管元件将会像氢原子那么大，这就到了极限。很明显，这是不可能被实现的。

然而，限制摩尔定律的不仅仅有物理定律，在经济上摩尔定律也在面临着窘境。摩尔定律被另一个相似的定律所赋予新的意义，这个定律叫做唐纳德缩放比例定律。这一定律在1974年被一位IBM的工程师罗伯特·唐纳德所提出来。该定律表示：缩小芯片中的元件能够使芯片的速度更快，也更省电、更便宜。也就是说，拥有更小元件的芯片就是更好的芯片。这也是电脑制造商忽悠消费者换电脑的理论支持之一。但是这就是瞎扯淡。

芯片已经不再像以前那样，越小的元件就让电脑运行的更快、更高效。相反，变得更高更快的仅仅是芯片的价格。摩尔定律的实现变得越来越难，投入到芯片开发的资金也越来越多，甚至有些公司打算将摩尔定律修改为每四年翻一番。对芯片仅仅进行一些细微的升级就要花费数百亿美元。就算是英特尔这种大公司，也经不起这种花销。

其实硅谷的专家已经达成了共识：摩尔定律就要失效了。“从经济层面上讲，摩尔定律已经走到头了。”硅谷的分析师 Linley Gwennap断言到。Dario Gil是IBM的研究发展部门的部长，他也言简意赅的说明了摩尔定律的终结。“我就直说了吧，未来的计算机将不再和摩尔定律扯上关系。”Bob Colwell是英特尔公司的设计师，他认为他们公司在2020年能够将芯片中的元件缩小到5毫微米，“但是在5毫微米的量级上再进一步，就超越我的认知了。”

技术上的重大革新主要发生在过去的50年，技术革新也越来越难。人们对于计算机的幻象也将破灭，计算机并不会在短时间内变得更快、更便宜。人类总是善于化解尴尬，革新处理器这条路行不通，人们又提出了一些新的技术预测，包括自动驾驶、人工智能，或者一些引人注目的小部件。除了开发新处理器，我们还是有各种各样的手段来提高电脑的体验度的嘛。摩尔定律走到尽头，并不意味着计算机的革命停滞不前。相反，未来的十年将会是不一样的十年，未来的计算机将走向何方，我们是不可知的，也许是提高计算机的寿命也许是将计算机的体积变得更小。

摩尔定律使电脑变得更小，主机从一间房子大小的东西变成了可以装在口袋里的小玩意。也使计算机的价格变得更亲民，手机的计算能力能与计算机的计算能力相互媲美，而且装上一块小电池就能供上设备的运行。当然摩尔定律最重要的影响还是让电脑变得更快。2050年，摩尔定律将变为历史，那时候工程师们必须要利用其它的手段来使电脑变得更快，而不是仅仅关注于处理器的性能。
想要做到在不改变处理器的基础上对电脑性能进行改变其实并不难。首先我们可以提高设计。摩尔定律革命性的一点是硬件的生产与软件联系不再特别强，这样就为流水生产处理器提供了可能。但是顾客们的消费理念有时候也会削弱设备的生产。顾客们觉得只要等上两三年就能有下一代机器上市，到时候再换台电脑就好了。随着摩尔定律逐渐淡出人们的视野，电脑换代所用的时间也将延长，这也会给项目开发商更多的时间来设计他们的产品。

另外能够给芯片带来新力量的是一些特殊化的应用。现在芯片开始应用于一些专门的运算之中，例如用于电影的解压、用于破解密码、或者用于游戏中的一些复杂的3D模型的建立，这些任务一般的处理器是带不动的。由于计算机应用于各行各业，一些特殊用途的硅片将会被大量需求。就拿自动驾驶汽车来说，设备应该具有强大的机器视力，电脑能将现实世界中的视觉影像转变为机械语言，提取其中的有用的信息，这都对计算机的硬件有较高的要求。这些特殊的应用将极大地促进一些专门的电路板的开发。

然而，人民大众都觉得计算机的更新速度应该还会更快。其中有些观点认为我们可以在三维上对芯片进行改进。现在的芯片都是平的，有人认为可以把芯片摞起来，弄成一层一层的那种。虽然这样理论上是可以的，但就要求设计师充分利用好每一寸的空间，正如高楼大厦能住进更多人的道理一样。

其实三星已经进行了这种垛迭式的设计，这种技术存在着巨大的应用空间。

当今计算机的内存都和处理器相距一段距离，而对于硅片来说一厘米都是很长的距离，所以读取与运算会有一定的延迟。而SD芯片的这种三明治式的设计则会减少延迟，将内存与处理器设计在一块。IBM估计，3D芯片能能将一些超级电脑的体积变得更小。

采用这种设计需要进行一些原则上的改变。现代计算机发热已经是十分严重了，需要有强大的散热片与风扇来保持散热。3D芯片必然面临散热的问题，在表面进行散热处理很难达到预想的效果。考虑到了散热这一因素，就很难将电与数据充分地运送到处理器进行运算。IBM的超级计算机就是考虑到散热问题，只能用水冷的方法完成散热。处理器内有许许多多的孔道让液体流入，从而完成冷却。IBM相信水冷能让冷却效率提高一倍。

除了摞处理器，还有人提出了其他想法。量子计算机这一想法就很有跨越性，量子计算机打破了传统计算机的设计理念，利用量子机制来组建计算机，其运算速度当然是没的说。但是量子计算机面临的最大问题是如何模拟量子的微弱的变化，这个监测量子变化的难题在各行各业都是厄待解决的问题，但是到现在仍然没什么头绪。
十年前，量子计算机仅仅在高校中进行一些实验性质的探索，但是最近几年，几家大公司像是微软、IBM、谷歌都投了大钱来进行相关技术的研究。他们都觉得在未来十年甚至二十年，量子计算机将引领世界。
加拿大有家D-Wave公司已经开始了批量生产量子计算机，但是抱歉，它不能打游戏，它只能进行数学运算。而且现在还不清楚其运算速度是否高于非量子计算机。

像是3D芯片、量子计算机这种东西，都需要提供一些苛刻的条件，一台量子计算机，如果能够正常的运行，必须将其用铁板与外界进行隔绝。此外，量子计算机只能用液氮进行冷却，而且在量子计算机内部，一个小小的电脉冲就会破坏计算机的核心部件，导致计算机瘫痪。

正应了那句老话：理想很丰满，现实很骨感。量子计算机的运算几乎是一次性机器，而且只能进行枯燥的数学运算。未来的路将会越来越难走，遇到的问题也会变得越来越不可预知。现在已经不是过去的黄金时代了，我们也不知道未来什么东西能转变为产品。终究我们不能在家放一台液氮冷凝的计算机吧？而水冷计算机又是复杂笨重的。

现如今，手机与计算机已经成为了我们口袋中和办公桌上的必备之物。未来，由于智能设备的普及与互联网的扩展，大量数据将被上传至服务器，我们都在无时无刻地与那些数据库进行交互，仿佛我们成了鱼钩上面的鱼，而服务器变成了鱼竿。换句话说，智能设备已经变成了像是水与空气一样的必需品了。

虽然说我们的手机的尺寸在逐渐变小，但是服务器的大小却在逐渐突破着极限。由于世界范围内对于计算机的需求，未来的服务器可能被放置在成百上千平米的大仓库里，满足着消费者的需求。

其实未来并不遥远，抬头望望天空，有些公司已经翱翔天际。苹果公司的Siri，能在人类众多话语中解码到潜在的指令：“嘿！Siri！帮我找到附近的大酒店”。其实这些解码用到的并不是iPhone的运算，而是将收集到的语音上传到苹果公司的数据库，再由数据库进行解码，解码完成后根据任务完成相关搜索，再将搜索结果下载到客户端，反馈给用户。

这种任务处理模式不仅仅用于智能手机上。几乎所有基于芯片的机器都能应用起这种模式，包括汽车、医疗设备、智能电视、智能水壶。还有那些联网设备(internet of things，IoT)，几乎所有可能联网的设备都被连上了网，连在了智能终端之上。

智能衣服能告诉家里的洗衣机用哪种洗衣模式；智能铺路石能监视路上的交通情况，还能收集空气质量情况，将收集到的信息反馈给市政部门。

未来确实逐渐展现在我们眼前，一些公司的工程师们甚至能在飞机上设置多个探测器来监控喷气引擎的状态，实现实时的反馈。家用的智能集成系统能利用自己的智能手机控制房间里的所有灯泡，这种理念也逐渐被大众所接受。

IoT的实现是建立在大量芯片的基础上的，设备实时上传设备信息至终端之上。就拿智能铺路石来说，将芯片植入铺路石内，芯片的价格应该不能太贵，而且要有足够的电力供给运行。将铺路石接入电网之中是不可能的，还有就是铺路石的芯片不能被水淹没，还要足够耐热、耐震动、耐电磁干扰。

随着摩尔定律的消逝，我们对于“好”的定义也将发生变化。除了要在整体上超越平均水平，一些其他的要求也开始被提出。例如，有些公司开始强调设备的续航能力。之所以强调续航是有原因的，首先就是，用户想让他们的电池寿命更长；其次，IoT设备不太可能都通上电线，如果每天都要充电，这智能设备意义也不是太大；此外，堆积成山的电脑正在消耗世界上2%的电量。

用户界面的友好程度是另一个待提高的方面，因为相对于硬件设备的提升，用户的友好度的改进还是挺有限的。键盘上我们设计出了机械键盘，鼠标在1968年就问世了，当时Windows用鼠标代替了一些口令，使得用户体验得到了巨大的飞跃。七十年代，触摸式屏幕在欧洲的Cern物理实验室问世。现在Siri的问世也算是用户体验提升的产物，人工智能几乎能对设备完成所有关的控制，代替鼠标和键盘。三星就在计划设计出一部声控的手机。

一些新的技术，例如手势追踪、视线追踪将有效的促进游戏产业的发展。增强现实技术(AR)与虚拟现实技术类似，其依托计算机而产生的信息已经超越了现实世界中的信息。谷歌公司已经将谷歌眼镜与智能画板相互结合，但是如何发挥AR的功效还要拭目以待。谷歌公司还在开发一种电子隐形眼镜，这样就增强了眼镜的便携度。
摩尔定律不会永远继续下去，但是随着摩尔定律落下帷幕，新的东西也将展现在人们眼前。计算机可能变得更小，可能运行的更快。计算机成了全球工业化的中流砥柱，而计算机的革新变得越来越举步维艰。不过可以肯定的是，计算机革命一定不会停止的。2050年，小小的芯片可能根植于任何你能想象到的事物之内。这些智能设备将会拥有更强的续航能力来供给高速率无线传输，也许你只需一句话就能启动任何你需要的电器。芯片将分布于世界上任何一个角落，收集着任何能收集到的信息，让世界感知起来更容易。

总之，摩尔定律会失效，但计算机革命将不会停止。

本文译自 theguardian，由译者 Itit

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