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【1971-2050 计算革命简史】从摩尔定律到“消失”的计算机

发表于:2017-02-13 作者:新智元 来源:大数据
导读

《卫报》特稿,摩尔定律快要走到尽头,但计算革命不会终止。更好的软件编程、3D芯片和量子计算等方法应运而生,其中云计算将成为业界应对摩尔定律消亡的最佳手段,物联网(IoT)的兴起将让我们逼近一个“消失点”,此前计算机的形体从大到小,此后计算机将变得“无形”,使计算无处不在,智能融入日常生活。

1971年,其时名不见经传后来名震硅谷的英特尔发布了一款名为 4004 的芯片。这是世界上首个商业微处理器,它将所有电子电路都整合在了单一的一个微小包装里,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,已经是全球领先芯片制造商、当年年收入超过550亿美元的英特尔发布了 Skylake 芯片。英特尔公司没有公布具体的数字,但推测 Skylake 芯片每块大约拥有 15 亿到 20 亿的晶体管。采用 14 纳米制程,一块 Skylake 芯片体积之小,肉眼几乎看不到。

摩尔定律快要走到尽头

人人都知道现代的计算机比以前的好,但很难说清楚具体怎么个好法,因为其他再没有什么消费者科技产品比计算机发展得还要快。世人常用汽车来类比:如果从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。如果这仍然太慢,那么在2017年年底之前,还可以再快两倍的模型车就能在展厅里展出了。

这种飞速的进步是 1965 年由英特尔的创始人戈登·摩尔首次观察并且提出结果。摩尔指出,可以挤在集成电路上的电子元件数量每年都会增加一倍。后来这个数字修改为每两年,从此“摩尔定律”为整个计算机行业设定了步伐。每年,英特尔和台积电等公司花费数十亿美元来计算如何缩小进入计算机芯片的组件。一路走来,摩尔定律帮助建立了一个世界,在这个世界里芯片被植入从水壶到汽车各种东西里,数百万人在虚拟世界中放松,金融市场由算法操控,专家担心人工智能将很快取代人从事所有的工作。

但摩尔定律的推动力量几乎也要走到尽头。每次你制作芯片时,缩小芯片的元件变得越来越困难,而现代晶体管的特性只有几十个原子,能够改善和提升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步骤。要按照这个速度发展到2050年,意味着还要往前推进17步,在这种情况下,工程师必须找出原子体积比氢原子还要小的元素来构建计算机。任何人都知道,这是不可能的。

不过,早在物理定律让摩尔定律失效前,商业的法则就会先将其淘汰,因为从经济利益上说,缩小晶体管的体积已经没有那么有效了。在摩尔定律之后,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 年首次提出这一想法)。Dennard scaling 指出,缩小芯片组件的体积使芯片运行速度更快、消耗更少的功率,生产起来更加便宜。换句话说,具有较小组件的芯片是更好的芯片,这也是为什么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。但是,老的魔法正在衰落。

体积的不断缩小不再像以前那样让芯片更快或更高效。与此同时,制造芯片所需的超精密设备的成本不断上升正在侵蚀芯片制造的经济利益。摩尔提出的第二条定律说,“铸造厂”的成本每四年翻一番。一个现代的芯片制造厂,成本大概需要 100 亿美元。即使对于英特尔来说,这也是很多钱。

结果就是硅谷专家达成了共识,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同样坦率地说:“我断言计算的未来不能只是依靠摩尔定律。”英特尔前芯片设计师Bob Colwell认为,芯片产业可能到20世纪20年代初,制造出制程仅有 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相信了。”

“后摩尔定律时代”的芯片

换句话说,过去 50 年中最强大的技术力量之一很快就将走到尽头。然而,计算机将以惊人的速度继续变得更好和更便宜,已经成为人们根深蒂固的想法,也是未来许多技术发展预测的基础,从无人驾驶汽车到更好的人工智能和更引人注目的消费者电子产品。实际上,除了缩小芯片的组件,还有其他的方法使计算机变得更好。摩尔定律的结束并不意味着计算机革命将就此停滞。不过,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同,因为没有什么能比过去半个世纪以来芯片体积的持续缩小更加可靠或可重复的了。

摩尔定律使计算机变得更小,将它们从占据整个房间的巨兽转变为多层灵活安装的电路板。摩尔定律也使计算机变得更加实用: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,而且只需要一块电池就可以用上一整天。但是,摩尔定律最有名的效用是使计算机变得更快。到2050年,当摩尔定律已成为古老的历史时,工程师们将不得不使用一系列其他的技巧让计算机的运行速度变得越来越快。

有一些简单的方法。一是更好的编程。在过去,摩尔定律的突破性步伐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买更快的机器这个事实进一步削弱了激励软件公司完善编程的想法:加速运行缓慢的代码最简单的方法可能只是等待一两年,当硬件的速度赶上就可以。随着摩尔定律的衰落,计算机行业短暂的产品周期可能会开始延长,这将给程序员更多的时间来打磨他们的工作。

另一个则是改善芯片设计。现代芯片开始具有专用电路,设计来专门为常见的任务,诸如解压缩电影、加密或绘制在视频游戏中使用的复杂3D图形等复杂计算加速。随着计算机普及到各种其他产品中,这种专用芯片将是非常有用的。例如,自动驾驶汽车将越来越多地利用机器视觉来解释现实世界中的图像,分类对象和提取信息,这些都是对计算量要求很高的任务。而专用电路将带来显着的性能提升。

然而,为了使计算能力以每个人都习惯的速度不断提高,还需要更为激进的东西。其中一个想法便是试着将摩尔定律推动到第三维。现代芯片基本上是扁平的,但如今研究人员正在采用芯片堆叠技术,这样就能在同样的面积里容纳更多的组件,就像摩天大楼那样可以在给定区域比低层房屋容纳更多的居民。

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,内存芯片就采用了三维堆叠技术。 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理器几厘米的地方。在硅速度下,一厘米是很长的一段距离,这意味着每当需要提取新的数据时都会产生比较显着的延迟。3D芯片可以通过在存储器层之间夹入处理逻辑层来消除这一瓶颈。IBM认为,3D芯片可以使设计师将目前一栋楼那么大的超级计算机缩小到一个鞋盒的大小。

但要让 3D芯片正常工作,还需要一些基本的设计更改。现代芯片在运行时会产生很多热量,需要强大的散热器和风扇来散热降温。3D芯片的产热情况会更糟,因为相比二维芯片,3D芯片可用于散热的表面积要小得多。出于同样的原因,3D芯片的供电和数据输入也要求新的技术。因此,IBM 所预想的只有鞋盒那么大的超级计算机将需要采用液体来冷却。每个芯片都将有微孔允许冷却液体流过。同时,IBM公司认为冷却剂也可以作为一个电源。根据这种想法,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消亡最有效的手段之一

还有更加超前的想法。量子计算认为使用量子力学的反直觉规则来构建机器,能够比任何常规计算机更快地解决某些类型的数学问题(对于许多其他问题,量子计算并不会带来什么优势)。量子计算最著名的应用是破解一些加密代码,但是它们最重要的用途可能是准确地模拟量子化学问题,这在制造业和工业中有难以估量的用途,都是常规计算机难以解决的。

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——包括微软、IBM和谷歌——都在投资这项技术,所有这些公司都预测,量子芯片应该在未来十年或两年内可用(事实上,IBM已经开放了网上平台,任何有兴趣的人都可以利用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,而且目前也不清楚这台机器是否真的比非量子计算机运行得更快。

像3D芯片一样,量子计算机也需要专门的护理和数据提供。对于量子计算机来说,它的内部结构必须与外界隔绝。量子计算机必须用液氦冷却到逼近绝对零度的范围,并且通过复杂的屏蔽保护,即使最小的热脉冲或散乱的电磁波也能破坏量子机器所依赖的精确量子状态。

然而,这些预期的改进作用都是有限的:它们带来的增益是一次性的,或者只适用于某种类型的计算。摩尔定律的强大之处在于,它每隔几年就带来可以衡量的性能的有规律的提升。未来的进步将会更加艰巨,更加不可预测,更加不稳定。而且,与繁荣的往日不同,未来计算力的提升尚不清楚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,不仅重,而且不便随身携带,设计上也十分复杂。在这种情况下,为特定任务构建专用的硬件也将是值得的,只要它能被定期使用的话。

但是,所有这三种技术都将很好地适用于数据中心,它们将有助于推动未来几十年的另一个大趋势。传统上看,计算机已经是你的桌子上的一个箱子或口袋里的一个盒子。在未来,互联网和移动电话网络提供的愈发无处不在的连接,将使大量的计算能力隐藏在数据中心里,让用户在需要的时候使用它们。换句话说,计算将成为一个按需求使用的实用程序,就像今天的水或电一样。

云计算将成为计算产业抵御摩尔定律消亡最重要的手段之一。与智能手机或PC不同,数据中心可以简单地增加体积而变得更强大。随着世界对计算的需求不断扩大,越来越多的计算将在距离用户数百英里外、阴暗的大型仓库中发生。

这一过程也已经开始发生。拿苹果的语音个人助理 Siri 来说,解码人类的言语并计算出一个指令(比如“Siri,给我在附近找一家印度餐馆”)背后的意图,所需要的计算力比iPhone本身可用的更多。iPhone 只是记录下用户的声音,并将信息转发到苹果数据中心里更强大的计算机。一旦远程计算机找到了适当的响应,它会将信息再发送回iPhone上。

相同的模型可以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东西,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速。“物联网”(IoT)的理想是将计算嵌入几乎每一个可以想象的对象之中。

智能服装将使用家庭网络告诉洗衣机使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污染地图。

再一次地,这一未来我们现在已经可见:劳斯莱斯等公司的工程师甚至可以监测飞行中单个喷气发动机的几十个性能指标。智能家居中心允许业主通过智能手机控制从照明到厨房电器的一切,这种服务在早期采用者中很是受欢迎。

但是,要让物联网实现其全部潜力,还需要一些方法来了解数十亿嵌入式芯片带来的数据洪流。物联网芯片本身不能胜任这项任务:例如,嵌入在智能铺路板中的芯片必须尽可能便宜,并且功率非常低:由于将单个铺路石连接到电网不切实际,这样的芯片将不得不从热能、行人的脚步踩踏甚至是环境电磁辐射中获取能量。

计算机产业革命将继续

随着摩尔定律的消亡,“更好”的定义也将改变。除了上面列出的途径,还有许多其他可能看起来有希望的方法。例如,现在有很多人正在研究如何提高计算机的能量效率。这有几个原因:消费者希望他们的智能手机有更长的电池寿命;物联网需要将计算机部署在电源不可用的地方;还有大量的计算已经消耗了世界发电量的2%。

用户界面是另一个已经做好准备迎接改进的领域,今天我们所使用的技术已经十分古老了。键盘是从机械打字机直接发展而来。鼠标最初在1968年出现,所谓的“图形用户界面”(如Windows或iOS)也在当年诞生。欧洲的粒子物理实验室 CERN 在20世纪70年代开创了触摸屏。

1986年的第一个鼠标。来源:GettyImages/TheGuardian

Siri可能离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——无论单独看是如何的微小——只需通过谈话就能控制。我们现在已经制作出了能够使用语音控制的电视机。

事实证明,目前用于虚拟现实视频游戏的手势跟踪和凝视跟踪等技术也是有用的。增强现实(AR)也在混合虚拟和真实。谷歌的Glass AR头盔虽然被打回了设计室,但类似的东西可能会在将来某天得到使用。此外,该公司正致力于研发能够实现类似功能而不太具有侵入性的电子隐形眼镜。

摩尔定律不会永远持续。但随着它的褪色,摩尔定律的重要性将愈发显现。它给计算机这个规模宏大的全球产业一个主节拍器,没有摩尔定律的未来计算的进步将变得更加困难、更不规则。但是,进步仍会发生。2050 年的计算机将是一个微小的芯片,这个芯片嵌入在从你的厨房柜台到汽车里的一切系统。这些系统中的大多数将有机会通过互联网无线传输获得大量的计算能力,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分散在物理环境的每个角落,使世界更容易理解、更易于监控。摩尔定律很快就会结束。但计算革命仍将继续。

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