第4章
超越摩尔定律
微处理器性能的巨大进步使得计算革命成为可能。未来，革命还将以其他方式继续下去。
1971年，当时还默默无闻，后来才名震硅谷的英特尔，发布了一款名为4004的芯片，这是世界上第一款可商用的微处理器，这意味着数字运算的所有电子电路都包装在一个微小的芯片里面。当时，这是一个奇迹，包含了2300个微型晶体管，每个大约10000纳米（十亿分之一米），与血液中的红细胞差不多大小。晶体管是一个在“开”和“关”之间转换的电子开关，在物理层面表示信息的基本组成元素——0和1。
2015年，英特尔——现在世界上领先的芯片制造商，收入超过550亿美元，发布了Skylake芯片。虽然公司没有公布具体的数字，但估计该芯片有大约15亿—20亿个晶体管。每个晶体管只有14纳米，如此之小，以至于用肉眼都看不见，因为它们比人类可见光的波长还小一个数量级。
大家都知道现在的计算机比以前的要好，但是很难说清楚好多少，因为没有其他的消费技术有如此快的提升速度。以汽车来类比：如果1971年的汽车与电脑芯片以相同的速度提升，那么到2015年，最新汽车的速度最高将达到每小时约4.2亿英里。这大概是光速的2/3，或者可以在12秒内绕地球一圈。如果这个还太慢，那么在2017年年底之前将出现速度再提升一倍、比光速更快的模型。
这个令人振奋的观察结果是英特尔创始人戈登·摩尔于1965年首次发现的。摩尔指出，集成电路里面元件数量每年翻一番，后来改为每两年翻一番。摩尔定律已经是一个被验证了的预言，为整个计算机行业奠定了基础。每年英特尔和台积电等公司花费数十亿美元研究如何不断地缩小计算机芯片里面的元件。同时，摩尔定律已经帮助我们创造了一个新世界：芯片已经嵌入从水壶到汽车（越来越具有自动驾驶功能）的一切事物，数百万人在虚拟世界里休闲娱乐，金融市场被计算机算法操纵，很多专家担心人工智能将很快接管所有工作。
摩尔定律的强弩之末
这似乎已是强弩之末。现在，缩小芯片上的元件变得越来越困难，晶体管只有几十个原子大小，留给工程师的空间已经没有多少了。从1971年4004芯片的发布到2016年，摩尔定律大概经历了22个周期。如果该定律能够维持到2050年，那就意味着还有17个周期。在这种情况下，工程师必须弄清楚如何使用比氢原子更小的元件来制造计算机。其实氢原子是已知的最小的元素，任何人都知道，这项工作是不可能的。
商业将在物理规则之前终结摩尔定律，因为缩小晶体管已经不能带来以前那样的边际效益了。使得摩尔定律真正有效的是被人们称为“登纳德缩放定律”（Dennard scaling，1974年由IBM工程师罗伯特·登纳德首先提出）的现象，该定律指出缩小芯片元件的尺寸能够使得芯片的速度更快、功耗更低、价格更便宜。换句话说，元件更小的芯片性能更好，这是计算机行业能说服消费者每隔几年更换最新型号产品的原因。但是古老魔术的魔力正在消逝，缩小芯片不再像以前那样使它们的速度更快或更有效率（见图4–1）。同时，超级复杂的设备带来成本的上升，削弱了芯片的经济利益。摩尔第二定律虽然没有第一定律那么严谨，但它指出芯片“铸造”厂的成本每四年翻一番。建一个现代芯片厂大概需要100亿美元，即使对于英特尔来说，这也是很大一笔钱。
硅谷专家们一致认为，摩尔定律已经快走到头了。硅谷一家分析公司的负责人里尼·格文纳普说：“从经济角度来看，摩尔定律已经寿终正寝了。”IBM研发部负责人达里奥·吉尔也同样坦承：“我可以明确地说，计算机的未来不再仅仅是摩尔定律”。英特尔的前芯片设计师鲍勃·科威尔认为，到21世纪20年代初，芯片行业也许能够把芯片元件降到5纳米左右，同时他也说“但是我不认为能够比这走得更远”。
图4–1 摩尔定律的终结
换句话说，过去50年来最强的技术力量之一，很快将走到末路。计算机将不断以惊人的速度提高性能、降低成本的假设已经深深地烙印在人们的脑海里。这也是本书其他章节很多技术预测的基础，从自动驾驶汽车到更聪明的人工智能，以及其他一些更有趣的消费电子产品。除了缩小电子元件之外，还有其他的办法来提升计算机性能。摩尔定律的终结并不代表计算机革命的停滞，不过这的确意味着未来几十年将会与以前有很大不同，因为任何替代者都不会像摩尔定律在过去半个世纪那样可靠或者可复制。
3D芯片和量子计算
摩尔定律使得计算机的体积更小，将其从填满整个房间的巨兽变成了细小的、可以放在口袋里面的小方块，同时也让其更加省电：一部智能手机比1971年美国全部的计算能力还强，而这部智能手机只需充一次电就可以维持一天或者更长的时间。摩尔定律最让人瞩目的成就是它让计算机变得更快了。到2050年，摩尔定律的历史将作古，如果要让计算机继续变快，工程师将不得不使用其他一些方法。
目前已经有一些简单的方法，一种是进行更好的编程。过去，摩尔定律惊人的速度让软件公司没有足够的时间来精简其产品。实际上，客户每隔几年就会购买速度更快的机器进一步磨灭了它们的积极性：让笨拙的代码运行得更快的最简单的方法可能就是等待一两年，等待硬件性能提升。随着摩尔定律慢慢失效，计算机行业极短的产品周期可能会开始延长，给程序员们更多的时间来打磨他们的产品。
另一种方法是，针对某些数学算法设计专门的硬件。现在的芯片开始针对常用的功能采用专门的电路，例如，电影解码、加密所需的复杂计算或者视频游戏中绘制复杂的3D图形。随着计算机应用到其他产品，这种专用芯片将非常有用。例如，自动驾驶汽车将越来越多地使用计算机视觉，计算机将对这些真实世界的图像进行解读、物体分类和信息提取。这项任务要求很强的计算能力，而专用电路将带来显著的性能提升。
但是，为了让计算能力能够以人类习惯的速度提升，就需要一些更激进的举措。其中的一个想法是试图把摩尔定律推动到第三维来维持其速度。现在的芯片基本上都是平的，研究人员正在将元件进行叠加来制造芯片。这样即使芯片的面积停止缩小，但叠加可以让设计师放入更多的元件，就像高楼比同样占地面积的平房有更高的容积率一样。
第一个使用这种技术的设备已经上市。三星，韩国的一家微电子公司，其销售的硬盘驱动器的内存芯片就是堆叠了几层。这项技术有巨大的前景。现代计算机的存储与芯片之间隔着几厘米的距离。在芯片层面，一厘米是很长的一段路，意味着在计算机需要读取数据时会有很明显的延迟。3D芯片可以通过把处理芯片层与内存芯片层叠加在一起来消除这个瓶颈。IBM认为，3D芯片能够让设计师把现在占据一栋楼的超级计算机压缩到鞋盒大小。
若想让这种方法可行，还需要在基础设计方面做一些改变。现在芯片在运行时会发热，需要强大的散热器和风扇来降温。3D芯片在这方面的问题更严重，因为可用于散热的表面比其体积的增长慢得多，而体积越大产生的热量就越多。同样的原因，这样的芯片要获得足够其运转的电力和数据同样存在问题。因此IBM的“鞋盒超级计算机”需要使用液体来冷却，在每个芯片里钻出微型通道以便让冷却液流动。同时，该公司认为冷却液还可以用作电源，即把冷却液用作液体电池里面的电解液，在电池里面，电解液流过固定的电极。
还有其他一些更为奇特的想法。量子计算建议使用量子力学的各种违反直觉的原理来制造计算机，能比任何最先进的传统计算机更快地解决某些类型的数学问题（虽然对于很多其他问题，量子计算机并没有优势）。量子计算机最著名的应用就是破解密码，但它们最重要的应用可能是准确地进行量子化学模拟，这个问题在制造业和工业中有广泛应用，但是传统计算机完全难以胜任。
10年前，量子计算还仅限于在大学里面进行研究。现在，有几家大公司正在向该技术投入大量资金，包括微软、IBM和谷歌。所有公司都预测在未来一二十年内量子芯片就能投入使用（事实上，一些人已经可以远程使用IBM的一个量子芯片，通过互联网对其进行编程）。一家叫作D-Wave的加拿大公司已经在出售一种功能受限的量子计算机，它只能运行一个数学函数，虽然还不太清楚这台特殊的机器是否已经比非量子计算机更快。
如同3D芯片一样，量子计算机也需要专门的细心呵护。要让量子计算机工作，必须将其内部与外界进行隔离。量子计算机必须使用液氦冷却到绝对零度左右，并使用复杂的屏障进行保护，即使最小的热脉冲或者电磁波干扰都可能破坏这种机器依赖的不稳定的量子态。
消逝的计算机
所有这些前瞻性的改进都有一个局限性：收益都是一次性的，或者说它们只适用于特定领域。摩尔定律的伟大之处在于每隔几年它就能提升一切，具有很强的规律性。未来的进步将会变得更加困难、更加不可预测、更不稳定，并且不同于往日的繁荣，我们并不太清楚如何把这些技术转换为消费产品。毕竟，很少有人会想要一台低温冷却的量子个人计算机或者智能手机。上述的液体冷却器十分笨重、复杂和麻烦，即使是为特定的任务组装专门的机器，也只有在经常使用的情况下才有价值。
这三项技术在数据中心却能很好地运作，这将有助于在未来几十年带来另外一个大趋势。传统上，计算机是放在桌子上或者口袋里的。未来，越来越普遍的互联网和移动网络接入，将允许把很多计算能力隐藏在数据中心，客户在需要的时候就可以使用它。也就是说，计算将变成一个按需使用的公共服务，就像现在的电和水一样。
云计算，把进行计算的硬件从用户实际交互的计算机中移除，将会成为业界降低摩尔定律消亡影响的一种重要方法。与智能手机或者个人计算机受限于体积不同，数据中心可以通过不断扩大规模来增强自己的运算能力。随着世界上人们的计算需求不断扩大，越来越多的计算过程将在距离用户几百公里之外的仓库中完成。
这已经开始发生了，例如，使用类似苹果手机语音助手Siri这样的应用程序，解读人类的语言并分析出指令背后的含义。比如执行一句“Siri，帮我找一家附近的印度餐厅”，需要比苹果手机拥有更多的计算能力。相反，手机只需要记录用户的语音，并将信息转发到苹果公司某个数据中心的性能更强的计算机。一旦这个远程计算机计算出合适的答案，它将把信息发送回苹果手机。
同样的模式不仅仅可以应用于智能手机。芯片已经进入很多计算机之外的物品，从汽车到医疗植入物，再到电视剧和热水壶，芯片正在加速扩展。所谓的物联网（IoT）就是想将计算嵌入所有可以想象到的物体：智能衣服使用家里的网络告诉洗衣机使用什么样的洗涤设置；智能铺路板将监测城市的交通情况，向政府提供十分详细的空气污染地图。另外，来看看已经呈现给我们的未来世界，例如，劳斯莱斯公司的工程师现在甚至已经可以监测飞行中每个喷气发动机上的几十个性能指标。智慧型的家居中心，可以让其主人通过智能手机控制从照明到厨房电器的一切，这在早期用户中很受欢迎。
物联网要发挥其全部潜力，必须找到相关方法来处理数十亿个嵌入式芯片发送过来的数据流。物联网芯片本身并没有这个能力，例如，嵌入到智能铺路板中的芯片将尽可能便宜，并且功耗极低，因为把每块铺路板都连接到电网是不切实际的，这样的芯片必须从热能、行人踩踏甚至周边电磁辐射中吸取能量。
摩尔定律的终结
随着摩尔定律的消亡，“更好”的意义也将改变。除了上述途径，还有很多看起来有希望的方法。例如，现在很多人都在为提高计算机的能效而努力。主要有以下几个原因：消费者希望它们的智能手机的电池具有更长的寿命；物联网需要将计算机部署在没有电力供应的地方；大量的计算已经消耗了世界发电量的2%左右。
用户界面是人们准备变革的另一个领域，现在的技术已经很古老了：键盘是直接从机械打字机发展出来的；鼠标最早在1968年出现；“图形用户界面”，如Windows和iOS也是同时替代了晦涩的文本符号；欧洲粒子物理实验室在20世纪70年代率先使用了触摸屏。
Siri可能会不再局限于你的手机，变得无处不在：人工智能（以及云计算）可以让任何机器只需通过语音来控制，无论是多么微小的机器。三星已经制造了一台声控电视。手势跟踪和视线跟踪已经在虚拟现实游戏中被率先使用，并且被证明十分有用。虚拟现实的近亲——增强现实把计算机生成的信息叠加到真实世界，把虚拟和现实进行融合。谷歌公司虽然收回了增强现实眼镜设备，重新进行设计，但类似的设备终有一天能被人类使用。另外，该公司正在致力于开发有相似功能但侵入性更小的电子隐形眼镜。
摩尔定律不可能永远持续，但是随着它的消逝，它的重要性日益显现。当你的计算机局限于桌子上的一个盒子，或者计算机太慢无法执行很多人类想完成的任务时，它的重要性就凸显出来了。它给了计算机这个庞大的全球产业一个主节拍器，没有摩尔定律，计算的进步将更加困难、更加不持续和更不规律。进步终究还是会出现的。2050年的计算机将是一个微小的芯片系统，嵌入从厨房台面到汽车的一切物体。它们大多数都可以通过互联网无线传输获取更强大的计算能力，你对着房间说话就可以与它们进行交互。数万亿个小芯片将分散在物理环境的每个角落，使得这个世界比以往任何时候都更容易理解、更容易监测。摩尔定律可能很快就会结束，但计算革命不会。