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谁将接棒摩尔定律推动计算机发展?

供稿:中国工控网 2017/2/6 16:44:35
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如果要问过去50年计算机业最重要的定律是什么,答案非摩尔定律莫属。“当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。”摩尔定律变成了一个自我应验的预言,决定了整个产业的发展节奏,指数性的增长不仅体现在芯片层面,而且也体现在了系统和采用社区层面。

几十年来,计算机变得越来越小越来越强大,令科学取得了巨大进展。但是,摩尔定律每前进一步,阻力就更大些,这种趋势不可能永远持续下去。很多专家都预测摩尔定律很快就会结束。当计算机停止缩小身躯时会发生什么呢?有哪些技术突破可以接力摩尔定律呢?我们看看《Megatech: Technology in 2050》是如何预测的。

1971年,英特尔,当时还不为人所知只是后来才驰名硅谷的这家公司发布了一款芯片,芯片的名字叫做4004.这是当时世界上首款商用化的微处理器,意味着在一个微小的身躯内包含了所有的电子电路来运行先进的数字处理计算。这在当时算是一个奇迹了,里面集成了2300个微型的晶体管,每个大概只有1万纳米(1米的十亿份之一)的大小——也就是一个红细胞那么大。晶体管是开一个可以切换的电子开关,是1和0的物理表示,而后两者是信息的基本粒子。

2015年的英特尔当时已是全球领先的芯片制造商,当年收入超过了550亿美元。在这一年,芯片巨头发布了Skylake芯片。这次这家公司已经不在公布确切的数字,但最佳猜测是每块芯片大概有15亿到20亿个晶体管。每个晶体管的间隔大概只有14纳米,这已经是小到看不见的地步了,因为它们已经比人肉眼可见光的波长还要小一个数量级。

每个人都知道现代计算机要比老的更好。但究竟好多少却是很难表示出来的,因为其他的消费者技术的任何改进都不能跟上这种节奏。标准的类比是用汽车来打比方:如果汽车从1971年开始就跟上计算机芯片的升级节奏的话,那么到2015年的新车型最高时速应该可以达到每小时4.2亿英里。这大概是光速的2/3左右,或者快到足以在1/5秒的时间内绕地球一周。如果还嫌这不够快的话,那么到2017年底时速翻番的车型就可以开始到达展厅了。

如此迅猛的发展是1965年英特尔创始人之一戈登·摩尔首次观察到现象的结果。摩尔指出,装配进集成电路的元件数量每年都会翻番。随后时间间隔被修订为2年的“摩尔定律”变成了一个自我应验的预言,为整个计算业奠定了发展的节奏。每一年,像英特尔以及台积电这样的公司都会花费数十亿美元,一边想出缩小集成进计算机芯片里面的部件尺寸的办法。一路走来,摩尔定律已经帮助建设出一个芯片被植入到从热水壶到汽车(汽车逐渐能自己开车也是拜芯片所赐)等一切的世界。在这个世界里,数百万人在虚拟的世界里放松自己,金融市场靠算法来运作,而权威担心人工智能很快就要取代所有的工作。

但这也是一股几乎要被耗尽的力量。缩小元件尺寸每做一次都会变得越来越困难,现代的晶体管已经小到用几十个原子来衡量,工程师根本就没有可发挥的空间了。从1971年的4004发布到2016年中,摩尔定律的钟声一共敲响了22次。该定律要想延续到2050年的话意味着这个钟还要再响17次,其更深层次的意味是,那些工程师必须想出用比最小的元素氢原子还要小的元件开发出计算机的办法。谁都知道,这是不可能的。

但企业会在物理规律终结前就先干掉摩尔定律,因为缩小晶体管的尺寸的好处已经不如以往。摩尔定律之所以生效是因为一个相关的现象:“登纳德缩放比例定律”(以1974年正式提出该现象的IBM工程师Robert Dennard的名字命名)。该定律指出,芯片元件的缩小是的芯片变快,耗电更少而且更容易制造。换句话说,元件更小的芯片是更好的芯片,正因为这样,计算业一直在说服消费者每隔几年就要花钱去购买最新型号。但这个旧魔法正在失去魔力。

缩小芯片尺寸不再像以往那样让它们跑得更快或者更有效率了。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其经济收益。比第一定律实现更轻松一点的摩尔第二定律指出,所谓的“代工厂”的成本每4年就要翻番。一台现代的机器差不多要100亿美元。哪怕是对于英特尔来说这也是很大一笔钱。

其结果是硅谷专家已经形成了一个共识,摩尔定律正在接近终结。管理着硅谷的一家分析机构的Linley Gwennap 说:“从经济角度来说,摩尔定律已经死了。”IBM研发负责人Dario Gil也有着类似的坦率:“我绝对可以这么说,计算的未来不再只能取决于摩尔定律了。”前英特尔芯片设计师Bob Colwell则认为,到2020年代初业界也许还可以把芯片做到元件间隔只有5纳米大小——“但你很难说服我还能做得小很多”。

换句话说,过去50年以来最强大的一股技术力量很快就要走到终点。以为计算机仍将以令人窒息的速度变得越来越好越便宜已经成为大家对未来根深蒂固的想法。从无人车到更好的人工智能乃至于永远更吸引人的电子产品,它构成了许多有关技术方面预测的基础。摩尔定律的终结并不意味着计算机革命就会停滞。但它的确意味着未来几十年的样子会跟过去几十年很不一样,因为替代者当中没有一个能像过去半个世纪的持续大瘦身那般,如此的可靠,如此的可重复。

                             

智能手机蕴藏的计算能力超过1971年是整个国家的总和,充电一次就可以跑一整天

摩尔定律让计算机变小了,从一头挤满整个房间的巨头变成了一块苗条到可以放进兜里的平板。摩尔定律还让计算机变得更省了:一部蕴藏的计算能力超过1971年整个国家总和的智能手机充电一次就能用上一整天。但它最出名的效应还是让计算机变得越来越快。到2050年,也就是摩尔定律变成古代史的时候,工程师必须运用一连串手段才能让计算机越来越快。

有些胜利比较容易取得。更好的编程就是其中之一。摩尔定律过去令人窒息的节奏使得软件公司几乎没有时间对自己的产品进行合理化。他们的客户每隔几年就会购买更快的机器,这一点又进一步弱化他们优化软件的动机:加速执行拖沓的代码的最简单方式就是等,等硬件用1、2年的时间跟上就行了。随着摩尔定律前进的步伐开始放缓,计算业著名的短产品周期可能就要开始延长了,这让程序员有了更多的时间去打磨自己的工作。

另一条路子则是牺牲通用的数学计算能力,设计专用的硬件芯片。现代芯片开始采用专门的电路设计来加速一些常见的任务,比如电影解压、执行加密或者用于视频游戏的复杂3D图像绘制所需的复杂计算。随着计算机扩散到了各种各样的产品内,此类专门芯片会变得非常有用。比方说无人车,对机器视觉的利用会越来越多,也就是计算机学会对现实世界的图像做出解析,对对象进行分类并且析取信息,而这是对计算要求很高的任务。专门电路可提供重大的性能提升。

谁将接棒摩尔定律 推动计算机发展?

IBM认为3D芯片可让设计师将目前占到一栋大楼的超级计算机的尺寸缩小到一个鞋盒那么大。

然而,计算要想以人人习以为常的高速度改进下去的话,就需要更激进的改变。让摩尔定律延续下去的想法之一是把它放入到第三个维度。现代芯片基本上都是扁平化的,但研究人员正在研究新的玩法,把元件堆叠起来。即便此类芯片的封装无法再缩小,堆焊将让他们的设计师装填更多的元件,就像面积一样的高层建筑能比低层建筑容纳更多的人一样。

首款此类设备已经面世:韩国的微电子巨头三星销售的一款硬盘,其内存芯片就是堆叠了好几层的。这项技术前景非常可观。

现代计算机把内存设计离处理器只有几厘米的距离。对于硅晶体来说,几厘米就是很远的距离了,意味着只要需要获取新数据就会有重大的延迟。3D芯片可能可以通过处理逻辑层与内存层梅花间竹的方式消除这一瓶颈。IBM认为,3D芯片可让设计师将一台目前挤满一栋建筑的超级计算机缩小到一个鞋盒的大小。

但要想让这一办法见效需要一些根本性的设计改变。现代芯片跑起来已经发烫,需要散热片和风扇来将其冷却。3D芯片情况可能会更糟,因为可用来散热的表面区域增长的速度会比发热来得更慢。出于同样的原因,让足够的电子和数据进入这样一个芯片来保持供电以及提供用于处理的数字也会遇到问题。IBM的鞋盒超级计算机也因此需要液冷机制。微通道会注入到每一块芯片内,让冷却的液体可以流过去。与此同时,该公司认为冷却剂也可兼作电源。其想法是用它来作为液流电池的电解液,而电解液会流经固定电极产生电能。

还有更另类的想法。量子计算建议利用有违直觉的量子力学规则来开发机器,不管之前解决起来有多快或者多高科技,这种机器可以比任何传统计算机快得多的方式来解决特定类型的数学问题(但对于许多别的问题来说,量子机器将毫无优势)。其最著名的应用是破解一些密码,但它们最重要的应用也许是精确模拟化学过程的量子细节,这个问题在制造和工业方面有成千上万中用途,但传统机器对此几乎完全措手无策。

10年前,量子计算仅限于大学内投石门路式的研究。但这段时间以来好些大型机构,包括微软、IBM和Google在内都在往这项技术投入资金,它们全都预测量子芯片应该在未来10或20年内面世(的确,任何人要是对此感兴趣都可以远程玩玩IBM的量子芯片了,只用通过互联网对它进行编程即可)。

一家名为D-Wave的加拿大公司已经在销售功能有限的量子计算机,这种量子计算机只能执行一种数学功能,但还不清楚这种专门的机器是否真的比非量子的计算机更快。

就像3D芯片一样,量子计算机需要特殊的关照和输送。量子计算机要想工作的话,其内部必须与外部世界隔绝。量子计算机必须用液氮冷却到差不多绝对零度的水平,并且要靠复杂的屏蔽保护起来,因为哪怕是最小的热脉冲或者电磁波都有可能破坏此类机器所依赖的量子态。

但这些预期的改进每一项都存在限制:要么获益是一次性的,要么只适用于特定类型的计算。摩尔定律最大的优势是每几年就会以节拍器般的规律性改进一切。但未来的进展会变得更零碎,更难以预测,更不稳定。还有,跟辉煌岁月不一样的是,尚不清楚这些当中任何一个会转化为消费者产品。毕竟嘛,几乎没有人会愿意要一台低温制冷的量子PC或者智能手机。液体冷却也一样,因为这个东西很笨重、乱七八糟的而且很复杂。即便针对特定任务开发专门逻辑也只有在经常使用的情况下才值得。

但所有这三种技术在数据中心都可以很好工作,这样的话就能帮助未来几十年的另一个大趋势提供动力。传统上,计算机一直都是摆在你桌面或揣在兜里的。在未来,互联网以及移动手机网络所提供的日益无所不在的连接会让很大一部分的计算能力藏在数据中心上面,客户在需要的时候使用就行了。换句话说,计算会变成按需使用的公用设施,就像今天的电力或者水一样。

从用户实际交互的平板上移除负责重计算载荷硬件的能力被称为“云计算”,这会是业界抵消摩尔定律消亡影响的最重要手段之一。数据中心跟只能长那么大的智能手机或者PC不一样,前者只要建得大一点就能提供更多的计算能力。随着世界对计算的需求不断扩大,越来越多的处理将会发生在距用户千里之遥的数据中心里面。

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Google位于俄勒冈达尔斯的数据中心。随着世界对计算的需求不断扩大,越来越多的处理将会发生在距用户千里之遥的数据中心里面。

这件事情已经在进行中。就拿苹果的语音助手Siri来说吧。解码人的讲话然后理解像“Siri,给我找一家附近的印度餐厅。”这样的指令背后的意图需要的计算能力是iPhone所不具备的。相反,手机只是录制用户的语音然后把信息转交给苹果某个数据中心的一台威力强大的计算机。一旦远程计算机想出了合适的回应之后,它再把信息回传给iPhone。

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同样的模式可以应用的地方远不止智能手机。从汽车到医用植入物到电视、热水壶等,芯片已经渗透到正常情况下不被视为计算机的地方, 而且这一进程还在加速。这就是所谓的“物联网(IoT)”,将计算嵌入到几乎所以可能的物体上。

智能服装会用家庭网络来告诉洗衣机采用什么样的设定;智能铺路板会监控城市里的行人交通,告诉政府详细的空气污染情况。

再次地,我们现在已经可以对未来管中窥豹:比方说,像罗尔斯-罗伊斯这样的公司,其工程师甚至现在已经在监控飞行中的各个飞机引擎的数十个性能指标。让户主通过智能手机控制从照明到厨房设备等一切的智慧家庭中心,现在已经在早期采用者当中流行。

但物联网要想充分发挥潜能将需要一些手段来利用数十亿嵌入式芯片产生的数据洪流。物联网芯片本身不会去处理这些任务:比方说嵌入在智能铺路板里面的芯片必须尽可能的成本低廉,而且耗电必须非常少:因为把每一块铺路石都接入电网是不切实际的,此类芯片必须从热能、走路的势能或者甚至周围环境的电磁辐射中获得能量。

那么,随着摩尔定律陷入困境,对“更好”的定义将会发生改变。除了上述列举的道路以外,其他许多的路径看起来也很有希望。比方说,很多的努力被放到改善计算机的能效上。出于几个原因这一点很有意义:消费者希望自己的智能手机拥有更长的电池续航能力;物联网需要计算机部署在主电源难以企及的地方;计算目前所消耗的电量已经占到了全球发电量的2%。

用户界面是另一个改进时机已经成熟的领域,因为今天的技术已经很古老了。键盘是机械打字机的直属后代。鼠标早在1968年就发明出来了,而用友好的图标和窗口取代晦涩的文字符号的“图像用户界面”(比如Windows或者iOS)也是一样的上了年纪。欧洲的粒子物理学实验室在1970年代就引领了触摸屏的先驱。

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计算机鼠标是在1968年首次出现的。

Siri也许会离开你的手机变得无所不在:人工智能(及云计算)将使得几乎任何机器都可以仅靠对话就可以控制。三星已经在制造语音控制的电视。

目前应用在虚拟现实视频游戏的手势跟踪、眼球跟踪等技术也许也会变得有用。增强现实,这个把计算机生成信息叠加到现实世界之上的虚拟现实的近亲,将开始把虚拟和现实融合在一起。Google也许已经把它的Glass AR眼镜重新开始,但有朝一日某种非常类似的东西必将找到用武之地。而且这家公司还在攻关电子隐形眼镜,这种眼镜也能执行类似的功能但侵扰性会小很多。

摩尔定律不可能一直延续下去。但它消逝的时候,消逝的将是它的重要性。当你的计算机限制在一个你桌面的盒子里面时,当计算机执行许多急需的任务很慢时,摩尔定律就非常重要。它为一个庞大的全球产业设定了主节拍,未来少了它的话计算的进展会变得越来越困难、越来越断断续续、越来越没有规律。但我们仍然会取得进展。2050年的计算机将是一个微型芯片嵌入到从橱柜到汽车的一切的系统。它们大部分都将能通过无线、通过互联网访问到海量的计算能力,而你通过跟它们对话就能交互。上万亿的微型芯片将会散布到物理环境的每一个角落,使得我们的世界更加可理解更加可监控。摩尔定律也许很快就会消失。但计算革命不会。

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新闻来源: 互联网/OFweek

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