摩爾定律消失后,2050年的計算機會是什麼樣子?

編者按:如果要問過去50年計算機業最重要的定律是什麼,答案非摩爾定律莫屬。「當價格不變時,集成電路上可容納的元器件的數目,約每隔18-24個月便會增加一倍,性能也將提升一倍。」摩爾定律變成了一個自我應驗的預言,決定了整個產業的發展節奏,指數性的增長不僅體現在芯片層面,而且也體現在了系統和採用社區層面。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下去。很多專家都預測摩爾定律很快就會結束。當計算機停止縮小身軀時會發生什麼呢?有哪些技術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》是如何預測的。

1971年,英特爾,當時還不為人所知只是後來才馳名硅谷的這家公司發佈了一款芯片,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,意味着在一個微小的身軀內包含了所有的電子電路來運行先進的數字處理計算。這在當時算是一個奇迹了,裡面集成了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麼大。晶體管是開一個可以切換的電子開關,是1和0的物理表示,而後兩者是信息的基本粒子。

2015年的英特爾當時已是全球領先的芯片製造商,當年收入超過了550億美元。在這一年,芯片巨頭髮布了Skylake芯片。這次這家公司已經不在公布確切的數字,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,這已經是小到看不見的地步了,因為它們已經比人肉眼可見光的波長還要小一個數量級。

每個人都知道現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的任何改進都不能跟上這種節奏。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奏的話,那麼到2015年的新車型最高時速應該可以達到每小時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秒的時間內繞地球一周。如果還嫌這不夠快的話,那麼到2017年底時速翻番的車型就可以開始到達展廳了。

如此迅猛的發展是1965年英特爾創始人之一戈登·摩爾首次觀察到現象的結果。摩爾指出,裝配進集成電路的元件數量每年都會翻番。隨後時間間隔被修訂為2年的「摩爾定律」變成了一個自我應驗的預言,為整個計算業奠定了發展的節奏。每一年,像英特爾以及台積電這樣的公司都會花費數十億美元,一邊想出縮小集成進計算機芯片裡面的部件尺寸的辦法。一路走來,摩爾定律已經幫助建設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。在這個世界裡,數百萬人在虛擬的世界裡放鬆自己,金融市場靠算法來運作,而權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。縮小元件尺寸每做一次都會變得越來越困難,現代的晶體管已經小到用幾十個原子來衡量,工程師根本就沒有可發揮的空間了。從1971年的4004發佈到2016年中,摩爾定律的鐘聲一共敲響了22次。該定律要想延續到2050年的話意味着這個鐘還要再響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出計算機的辦法。誰都知道,這是不可能的。

但企業會在物理規律終結前就先幹掉摩爾定律,因為縮小晶體管的尺寸的好處已經不如以往。摩爾定律之所以生效是因為一個相關的現象:「登納德縮放比例定律」(以1974年正式提出該現象的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製造。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。但這箇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,製造芯片所需的超精密設備的成本不斷上升正在侵蝕其經濟收益。比第一定律實現更輕鬆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。一台現代的機器差不多要100億美元。哪怕是對於英特爾來說這也是很大一筆錢。

其結果是硅谷專家已經形成了一個共識,摩爾定律正在接近終結。管理着硅谷的一家分析機構的Linley Gwennap 說:「從經濟角度來說,摩爾定律已經死了。」IBM研發負責人Dario Gil也有着類似的坦率:「我絕對可以這麼說,計算的未來不再只能取決於摩爾定律了。」前英特爾芯片設計師Bob Colwell則認為,到2020年代初業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於永遠更吸引人的電子產品,它構成了許多有關技術方面預測的基礎。摩爾定律的終結並不意味着計算機革命就會停滯。但它的確意味着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大瘦身那般,如此的可靠,如此的可重複。

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奏使得軟件公司幾乎沒有時間對自己的產品進行合理化。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化軟件的動機:加速執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。隨着摩爾定律前進的步伐開始放緩,計算業著名的短產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學計算能力,設計專用的硬件芯片。現代芯片開始採用專門的電路設計來加速一些常見的任務,比如電影解壓、執行加密或者用於視頻遊戲的複雜3D圖像繪製所需的複雜計算。隨着計算機擴散到了各種各樣的產品內,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實世界的圖像做出解析,對對象進行分類並且析取信息,而這是對計算要求很高的任務。專門電路可提供重大的性能提升。

IBM認為3D芯片可讓設計師將目前佔到一棟大樓的超級計算機的尺寸縮小到一個鞋盒那麼大。

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。讓摩爾定律延續下去的想法之一是把它放入到第三個維度。現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,堆焊將讓他們的設計師裝填更多的元件,就像面積一樣的高層建築能比低層建築容納更多的人一樣。

首款此類設備已經面世:韓國的微電子巨頭三星銷售的一款硬盤,其內存芯片就是堆疊了好幾層的。這項技術前景非常可觀。

現代計算機把內存設計離處理器只有幾厘米的距離。對於硅晶體來說,幾厘米就是很遠的距離了,意味着只要需要獲取新數據就會有重大的延遲。3D芯片可能可以通過處理邏輯層與內存層梅花間竹的方式消除這一瓶頸。IBM認為,3D芯片可讓設計師將一台目前擠滿一棟建築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計改變。現代芯片跑起來已經發燙,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域增長的速度會比發熱來得更慢。出於同樣的原因,讓足夠的電子和數據進入這樣一個芯片來保持供電以及提供用於處理的數字也會遇到問題。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,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,而電解液會流經固定電極產生電能。

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則來開發機器,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計算機快得多的方式來解決特定類型的數學問題(但對於許多別的問題來說,量子機器將毫無優勢)。其最著名的應用是破解一些密碼,但它們最重要的應用也許是精確模擬化學過程的量子細節,這個問題在製造和工業方面有成千上萬中用途,但傳統機器對此幾乎完全措手無策。

10年前,量子計算僅限於大學內投石門路式的研究。但這段時間以來好些大型機構,包括微軟、IBM和Google在內都在往這項技術投入資金,它們全都預測量子芯片應該在未來10或20年內面世(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,只用通過互聯網對它進行編程即可)。

一家名為D-Wave的加拿大公司已經在銷售功能有限的量子計算機,這種量子計算機只能執行一種數學功能,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照和輸送。量子計算機要想工作的話,其內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,並且要靠複雜的屏蔽保護起來,因為哪怕是最小的熱脈衝或者電磁波都有可能破壞此類機器所依賴的量子態。

但這些預期的改進每一項都存在限制:要麼獲益是一次性的,要麼只適用於特定類型的計算。摩爾定律最大的優勢是每幾年就會以節拍器般的規律性改進一切。但未來的進展會變得更零碎,更難以預測,更不穩定。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化為消費者產品。畢竟嘛,幾乎沒有人會願意要一台低溫製冷的量子PC或者智能手機。液體冷卻也一樣,因為這個東西很笨重、亂七八糟的而且很複雜。即便針對特定任務開發專門邏輯也只有在經常使用的情況下才值得。

但所有這三種技術在數據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。傳統上,計算機一直都是擺在你桌面或揣在兜里的。在未來,互聯網以及移動手機網絡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據中心上面,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「雲計算」,這會是業界抵消摩爾定律消亡影響的最重要手段之一。數據中心跟只能長那麼大的智能手機或者PC不一樣,前者只要建得大一點就能提供更多的計算能力。隨着世界對計算的需求不斷擴大,越來越多的處理將會發生在距用戶千里之遙的數據中心裏面。

Google位於俄勒岡達爾斯的數據中心。隨着世界對計算的需求不斷擴大,越來越多的處理將會發生在距用戶千里之遙的數據中心裏面。

這件事情已經在進行中。就拿蘋果額度語音助手Siri來說吧。解碼人的講話然後理解像「Siri,給我找一家附近的印度餐廳。」這樣的指令背後的意圖需要的計算能力是iPhone所不具備的。相反,手機只是錄製用戶的語音然後把信息轉交給蘋果某個數據中心的一台威力強大的計算機。一旦遠程計算機想出了合適的回應之後,它再把信息回傳給iPhone。

同樣的模式可以應用的地方遠不止智能手機。從汽車到醫用植入物到電視、熱水壺等,芯片已經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「物聯網(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絡來告訴洗衣機採用什麼樣的設定;智能鋪路板會監控城市裡的行人交通,告訴政府詳細的空氣污染情況。

再次地,我們現在已經可以對未來管中窺豹:比方說,像羅爾斯-羅伊斯這樣的公司,其工程師甚至現在已經在監控飛行中的各個飛機引擎的數十個性能指標。讓戶主通過智能手機控制從照明到廚房設備等一切的智慧家庭中心,現在已經在早期採用者當中流行。

但物聯網要想充分發揮潛能將需要一些手段來利用數十億嵌入式芯片產生的數據洪流。物聯網芯片本身不會去處理這些任務:比方說嵌入在智能鋪路板裡面的芯片必須儘可能的成本低廉,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境的電磁輻射中獲得能量。

那麼,隨着摩爾定律陷入困境,對「更好」的定義將會發生改變。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。出於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航能力;物聯網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佔到了全球發電量的2%。

用戶界面是另一個改進時機已經成熟的領域,因為今天的技術已經很古老了。鍵盤是機械打字機的直屬後代。鼠標早在1968年就發明出來了,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年代就引領了觸摸屏的先驅。

計算機鼠標是在1968年首次出現的。

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

目前應用在虛擬現實視頻遊戲的手勢跟蹤、眼球跟蹤等技術也許也會變得有用。增強現實,這個把計算機生成信息疊加到現實世界之上的虛擬現實的近親,將開始把虛擬和現實融合在一起。Google也許已經把它的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電子隱形眼鏡,這種眼鏡也能執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裡面時,當計算機執行許多急需的任務很慢時,摩爾定律就非常重要。它為一個龐大的全球產業設定了主節拍,未來少了它的話計算的進展會變得越來越困難、越來越斷斷續續、越來越沒有規律。但我們仍然會取得進展。2050年的計算機將是一個微型芯片嵌入到從櫥櫃到汽車的一切的系統。它們大部分都將能通過無線、通過互聯網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境的每一個角落,使得我們的世界更加可理解更加可監控。摩爾定律也許很快就會消失。但計算革命不會。

 



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