逆天黑科技，人工大腦進擊人腦？

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在計算機領域，有一個廣為流傳的「摩爾定律」：一個晶元上可以容納的晶體管數量，每兩年就會增加一倍。也就是說，一台計算機大小不變，性能大約每兩年就會翻一番，每十年就會加個零。當然，摩爾定律不是一個科學理論，而是對計算機發展狀態的觀察：從上世紀70年代起，一代代的計算機，都有如命中注定般地遵守了這個神奇的規律，矢志不渝地飛快發展。

過去的幾十年來，這種指數速度的增長，拉動著全球經濟的一次次跨越，並且不斷重新定義著人類的生活。

請注意，橫軸的時間是逐年增加，縱軸的晶體管數量（計算機性能）是以10倍增長

而接下來的十年，按照摩爾定律，將更加驚人：晶體管的體積將繼續縮小，計算機晶元將小過細胞，小過分子，人類將生產出極為微型的小電腦，這些小電腦將可以進入人體，不管是作為醫藥還是生化武器。摩爾定律預言說，這些事件的發生，都近在咫尺。

這樣有沒有一點驚喜、一點驚詫、和一點毛骨悚然？

不過先別急著沉浸於美國大片式的想像世界：事實上，從進入21世紀以來，已經有不少人開始在質疑，摩爾定律是否能無窮無盡地延續下去？甚至有人提出，從2015年、甚至2010年起，計算機的發展速度已經在變慢，從之前的兩年翻一番變成了三年翻一番。

可是人類社會已經習慣了計算機產業的高速發展。不要是停滯、哪怕計算機只是發展速度減慢一點點，都將給人類社會的前進產生大幅度的影響。摩爾定律一旦被打破，軟體、遊戲、電子消費品等大量產業將無法持續升級和更新換代，而一旦停止創新，這些產業即刻將面臨枯萎、大量人口失業……引起的災難旋風將不亞於有史以來的任何一次經濟危機。

為了守住摩爾定律，堅定不渝地將它延續下去，科學家們還有這些機會——

準備再活100年監督摩爾定律的壹讀君｜何滿子

越來越小的晶體管

多年以來，計算機得以越變越小、越來越快，主要得益於晶體管越變越小。晶體管相當於貼在計算機晶元上的成千上億個超小的開關，因為自身的半導體特性，源源不斷地記憶和傳輸著數據。

晶體管：組成電腦的最小開關

而晶體管所用的半導體材料，就是硅。

從60年前只有四個晶體管的收音機到如今有17億晶體管的英特爾第四代處理器，晶體管從人的手掌那麼大已經縮至了納米級。

當然這麼尖端的技術不是誰都有，世界上可以刻出如此精度的半導體的公司，事實上只有一家，壟斷了整個行業的高端市場：專門生產光刻機的荷蘭公司ASML。這個叫ASML的公司也許在大眾視線里名不見經傳，卻是電子巨鱷英特爾、IBM必須仰賴的供應商：它生產的光刻機能夠達到3納米的精度，是所有晶元生產者不可替代的必需品。

光刻機賣得確實貴，1台將近1億美元，而且此等絕密級技術還不是有錢都能買。建設社會主義，華為重任在身呀

光刻機的精度固然一直在進步，可是以硅為原料的晶體管的變小，總是有限度：單個硅原子的大小大約是半個納米，也就是說，在現在的電路中，晶體管小開關的端點之間的距離只有30個硅原子。如果再繼續縮短，不僅造價會飆升，更會導致穩定性變差——

晶體管的開關端點之間的距離一旦降到個位數，量子物理就會開始給這些小開關們搗亂：即使開關被斷開，電子仍然可能自發地在端點之間跳來跳去（這一現象被稱為「量子隧穿」），晶體管作為開關就意義盡失了。試想如果汽車的制動因為一兩個晶體管被干擾而失靈，飛機在空中突然失去動力，後果將是不可承受的災難……

一個核不夠，再加一個、兩個、三個……

如果無法再把晶體管繼續變小，那麼要以摩爾定律的速度繼續提高計算機性能，就得另闢蹊徑，從比晶體管高一級別的處理器設計上想辦法。

如果一個核（處理器）不能裝下足夠多的晶體管，雙核、四核就成了顯而易見的解決方案。英特爾也正是這麼做的，既然無法再提高單個CPU的性能，一台電腦里放2個、甚至4個CPU，就成了多快好省的最佳選擇。

不過，眾所熟知的CPU事實上只是處理器的一種，根據需求不同，還有一些有其他側重的處理器，譬如善於處理圖像的GPU，針對數字信號的DSP，還有上個星期一出現就引發業界旋風、谷歌專為深度學習開發的TPU（Tensor Processing Unit）。如果將不一樣的核並行連接起來，各有側重、各司其職，也會極大地提高計算機性能。

除去以上的各種核，還有一種工藝——FPGA也開始被應用到處理器中。FPGA與其他處理器有什麼本質不同？FPGA最大的特點，在於它是一種可以編程的處理器。也就是說，每一個FPGA在出廠時，只是一個「半成品」，可以隨時根據需求變換結構、寫入邏輯，並且可以近乎不限次數地再次變換、重新配置，通過不同的程序，從一個收音機變成手機再變成計算器，遊刃有餘。

在多核、並行成為剛需的時代，作為處理器中的變形金剛，FPGA已經開始在工程界受到矚目。Microsoft的雲伺服器catapult中，FPGA處理器就挑起了大梁，讓我們在用word online的時候越來越快；英特爾也剛剛收購了生產FPGA的龍頭廠商Altera，CPU與FPGA這樣的強強聯手即將到來。

Altera生產的FPGA旗艦產品，Stratix第四代

量子之光？

上面說了，當晶體管變得太小、開關之間距離極短的時候，量子隧穿效應就會顯現，破壞傳統計算機的運轉。

不過好在傳統計算機並不是科學家們探索的盡頭。事實上，物理學家們正在試著將量子的怪異秉性為己所用——量子計算機的構想由此誕生，成為計算機革命的新希望。儘管這個概念也不算太新了——上世紀80年代量子物理學大師理查德·費曼就提出了這個量子計算。

量子計算機超越傳統計算機的最核心之處，在於量子本身的性質：傳統計算機以比特作為記錄信息的最小單位：每一個比特可以是0或1，以二進位的方式記錄信息。

但是量子不止可以設定0和1兩種狀態，量子可以處於任何一種「疊加態」：就如薛定諤的貓中所比喻的亦生亦死的疊加態一樣，一個量子也可以處於0和1各佔一定比例的疊加態。

疊加態的神奇之處在於，一個量子比特，可以同時處於0和1兩種狀態，而只有當觀測它的那一刻，才能將它確定為0或1。

這樣一來，一個傳統比特，只能存儲0或1一種信息，一個量子比特卻能夠以一定的概率同時存儲0和1兩種信息。一旦比特數增加，量子計算機所能存儲的信息量，將呈幾何級數地增長，遠遠超過同等比特的經典計算機：譬如一個2比特的存儲器，經典比特只能存儲0-3四個數的其中之一，量子比特卻能同時存儲4個數字。相應地，一個10比特的存儲器，經典比特依然只能存儲0-1023之間的其中一個數字，量子比特卻能存儲全部1024個數字。而20個量子比特，已經能存儲上百萬個信息。

四個量子比特所能存儲的16種信息

更可怕的是，量子比特中存儲的數據可以同時進行計算，從而使其無論容量還是速度，都將遠遠甩出經典計算機無數條街，尤其將在人工智慧、優化這種需要處理超大量數據的領域大放異彩，甚至還將反過來反哺量子化學模擬。同時，由於量子的干涉效應（前一次操作的結果會影響後一次的操作），量子計算還可以極大地提高信息檢索速度，經典超級計算機要試1000年才能破解的密碼，量子計算機只要一天時間，毫不誇張地實現了量子物理學家Grover所說的，「量子力學可以在稻草堆中尋找一根針」。

只要合理利用疊加態、量子糾纏和干涉，量子計算機（左）的效率將遠超傳統計算機（右）

一旦實現，量子計算機將無疑是創造新紀元的顛覆性產品，可是理想畢竟只是理想：時至今日，量子計算機仍然處於極為初級的研究階段——量子的不穩定性是科學家們所面臨的最大難題，量子計算所需要的極端低溫也對與之配合的其他部件提出了嚴峻的挑戰。

有機分子材料：世紀大偽裝

眾所周知，以硅作為半導體原料製造的晶體管，體積已經縮小到了極限，而量子計算機的實現又遙遙無期。那麼，是否有其他材料可以代替傳統的硅，讓計算機從大小到性能都遠進一步？

有。

但也不僅僅是有那麼簡單。四十多年前，紐約大學的一個計算機系博士生在自己畢業論文的開頭寫道，「大自然用分子進行了無數活動，也許我們也應該向自然學學，用分子來製造電子部件。」

用一個有機分子來代替硅，作為半導體材料，這個提議是驚人而又誘人的。如果計算機的晶體管能像DNA那樣傳送信息——分子計算機這個帶著奇幻色彩的想像橫空出世。

40年來，材料學家對於用分子材料代替硅的研究始終不斷，並且取得過幾次突破、儘管最後都歸於失望。生物分子材料在一蹦一跳中緩慢發展，而這過程中最大起大落的一幕，莫過於21世紀初的一場爆炸性大發現和接踵而來的醜聞。

2001年，年僅31歲的德國天才Jan Hendrik Sch?n，聲稱自己在實驗室中從一種染料中提取的分子，和半導體具有相同的導電屬性。自然、科學雜誌爭相發表他的論文，這個本來就被譽為當世最矚目的潛力之星，瞬間成為了聚光燈下的焦點——隨後他甚至還給出實驗數據，向全世界報告說自己做出了第一個單分子晶體管。

單分子晶體管！

現在的每個硅制的晶體管有幾萬個原子，而單分子晶體管可能只有十幾個原子，甚至幾個。如果能製作出一個完全由有機分子製成的晶元……這個晶元的大小是HIV病毒的1／120，是紅細胞的1/5000，甚至比可見光的波長還要小數百倍。

納米級機器人——無所不在的、肉眼完全看不見、就算比喻成一粒灰塵都是將它放大了無數倍的極度微型的有機分子機器人，瞬間成為了可能。

像一團灰塵一樣席捲人間、擁有智能、甚至還能自己分裂繁殖的納米「仿生物」機器人，忽然從科幻小說被拉近成觸手可及的現實。

就是這些分子，將製造出前所未有量級的納米計算機

這是所有人都在等待的突破性成果。在未來的某一天，極微小而強大的計算機以極低的成本生產出來，軍方、醫藥公司興奮若狂，倫理學家惶恐失措，人們的生活在接下來的幾十年來，也許將以不可想像的方式被徹底顛覆。

這些微型計算機可以被織入衣物、送入血管、甚至……植入大腦。計算機可以和大腦里的每一個信號相連結，思維和記憶將可以被下載。腦力將不受限制，知識的定義幾乎被改變，而人類將通過大腦、通過大腦中的人工大腦，獲得永生。

而另一方面，這些微型計算機也可以被製成最鋒利的武器，殺人於無聲無形。更甚的是，因為完全由生物材料製成，這些計算機將學會自我繁殖，而當它們的繁殖和生存需要佔據更多的資源，它們將不得不搶奪植物、動物的資源，植被凋零、動物滅絕……甚至危及人類。

而這一切的一切，都因為Henrik Sch?n的研究，成為近在咫尺的可能。這位來自貝爾實驗室的年輕人、物理學界冉冉升起的新星、正在快速通道上駛向諾貝爾獎的絕頂天才，正在將人類社會的發展推向一個也許連他自己也未曾想過的巔峰。

直到他論文中的兩張圖被翻出來對比了一番。

兩張出現在不同論文、登於不同雜誌、出自完全不同的實驗的實驗結果，畫出來的圖，竟然只有輕微拉伸的變化，就連圖上的「噪音」（曲線上細微的凹凸）都完全一致。

對於任何兩次實驗來說，取得這樣完全一致的結果，可能性根本為零。

隨後的調查、取證、媒體曝光接踵而至，沒過多長時間，Hendrik Sch?n承認了自己偽造數據的做法，論文被撤回，他自己被辭退，甚至還被母校撤銷了博士學位。

一場突破性的納米革命，一夜之間大廈傾塌，然後回歸了失落和平靜。

Jan Henrik Sch?n

向前看！

鑽進大腦的人工智慧、藐視光速的超能計算機，一時半會也許不會出現。計算機的未來可能仍舊屬於某種納米材料、量子、光電子，也可能屬於出人意料的混搭，或者某種突如其來、無法預測的新發現。

唯一毫無疑問的是，在人工智慧和大數據風捲殘雲的時代，數據只會愈來愈多，而計算時間則只能愈來愈短。但無數的過往先例都告訴我們：即使是最不可能實現的夢，追逐的途中都可能撿到意想不到的甜蜜收穫。

波士頓大學CAAD 實驗室的耿同先生和代爾夫特理工大學QuTech 實驗室的付祥先生對本文亦有貢獻。

參考資料：

2. 郭光燦（2016），「量子信息與量子計算未來發展」，摘自光明網

3. Grover L.K. (1997), 「Quantum Mechanics Helps in Searching for a Needle in a Haystack」, Phys. Rev. Lett. 79, 325

4. Kelly K.F. & Mody C.C.M. (2015), 「The booms and busts of molecular electronics", IEEE Spectrum, vol. 52, no. 10, pp. 52-60

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