摩爾定律失效？計算機晶元不會無限小下去

騰訊數碼訊（文心）據Digital Trends網站報道，為什麼現代計算機比以前的舊型號計算機要好得多？一種解釋稱，這與過去幾十年微處理器技術的巨大進步有關。約每18個月，晶元中集成的晶體管數量就會翻一番。

這一趨勢最早於1965年由英特爾聯合創始人戈登·摩爾（Gordon Moore）發現，並被通俗地稱為「摩爾定律」。摩爾定律推動著技術不斷向前發展，並將其轉化為數萬億美元的產業。處理能力難以想像的強大晶元，被應用在從家用電腦到自動駕駛汽車再到智能家居設備在內的各種產品中。

但摩爾定律或許不能無限期地延續下去。高科技產業可能喜歡其有關指數增長和數字驅動的「稀缺終結」的說法，但晶元上晶體管尺寸是存在物理極限的，不會一直減小下去。

雖然人眼看不到，但目前最新的晶元上集成有數十億個晶體管。如果摩爾定律有效期能持續到2050年，工程師們將不得不利用尺寸小於一個氫原子的材料製造晶體管。企業跟上摩爾定律腳步的成本也越來越高昂。建造一座生產新型晶元的製造工廠需耗資數十億美元。

由於這些因素，許多人預測摩爾定律將在2020年代初期逐步失效，屆時晶元晶體管組件的尺寸將僅為5納米左右。摩爾定律失效之後晶元產業會怎樣發展呢？技術進步會停滯不前，出現類似我們目前仍然使用著20多年前就已經問世的Windows 95 PC那樣的情況嗎？

Digital Trends表示，未必。以下7點原因，解釋了為什麼摩爾定律失效並不意味著我們熟知的計算技術進步戛然而止。

摩爾定律失效天不會塌下來

想像一下，如果明天熱力學定律或牛頓的三大運動定律不再發揮作用，我們將會面臨怎樣的災難。雖然名字中有「定律」，但摩爾定律並非是這一類的普遍規律。相反，它只是一個通過觀察所得的趨勢，就像邁克爾·貝（Michael Bay）總是在夏季發行一部新的《變形金剛》（Transformers）電影那樣——即使沒有發行，也不會有什麼大問題。

我們為什麼會提出這一問題？因為摩爾定律失效不會引發引力突然消失那樣的災難。因為晶元上集成的晶體管數量不再每18個月翻一番，並不意味著計算技術的進步完全停止。它只不過意味著技術進步的速度會略微慢那麼一點點。

我們可以把技術進步想像為石油。我們已經采完了容易開採的石油，現在，我們需要利用壓裂等技術開採相對不容易開採的石油。

更好的演算法和軟體

思考一下那些賺大錢的NFL（美國國家橄欖球聯盟）或NBA（美國職業籃球聯賽）球星，他們根本無需考慮存錢的問題。雖然聽起來有些混亂，但對於摩爾定律和軟體之間的關係而言，這還算一個中肯的隱喻。

儘管存在編寫漂亮的軟體，但年復一年的是，很多時候程序員都不必太在意如何對軟體優化，提高運行速度，因為他們知道明年推出的計算機處理器能更好地運行自己的代碼。但是，如果摩爾定律失效，計算機處理器的進展不再像過去那樣快，那麼，我們就不能再依賴這種方法了。

通過優化軟體提升晶元的處理能力，將受到更多重視。為了提高系統的運行速度和效率，這意味著開發更好的演算法。除運行速度外，希望這也意味著更加簡練的軟體，以及對用戶體驗、界面和質量的高度關注。

即使摩爾定律明天失效，在硬體不再繼續改進的情況下，優化今天的軟體仍然可以提供數年甚至數十年的性能增長。

更專用的晶元

儘管如此，晶元設計人員克服通用晶元性能提升速度放慢的一個途徑，就是開發更專用的處理器。圖形處理單元（GPU）就是其中的一個例子。定製專用處理器也可應用在神經網路、自動駕駛汽車的計算機視覺、語音識別和物聯網設備等應用中。

這些專用晶元設計可以提供一系列改進，例如更高的效能比。採用定製設計的晶元廠商包括市場領頭羊英特爾、谷歌、Wave Computing、英偉達和IBM等。

就像編寫質量更高的軟體一樣，晶元製造進步的放緩，迫使晶元設計師更重視新的晶元架構突破。

晶元不再是IT的全部

摩爾定律「誕生」於20世紀60年代中期，比計算機科學家蒂姆·伯納-李（Tim Berners-Lee）發明萬維網早了四分之一世紀。雖然自問世起摩爾定律一直有效，但在萬物互聯的時代，對本地處理能力的需求減少了。當然，PC、平板電腦或智能手機的許多功能都是在設備上完成的，但越來越多的功能不在設備上完成。

雲計算技術意味著，許多大型計算問題可以由位於其他地方的大型數據中心中的大規模並行系統完成，這些系統包含的晶體管數量，是單台計算機的許多倍。人工智慧任務尤其如此，例如我們在手機上使用的語音助手等。

通過在其他地方處理任務，並在處理完成時將答案傳回本地計算機，機器的智能程度可以按指數級提高，而無需每隔18個月左右升級其處理器。

新材料和配置

矽谷之所以被稱為矽谷是有原因的，但研究人員正在忙著研究未來可能由硅以外的其他材料製成的晶元。

例如，英特爾正在研究一些令人吃驚的技術，使晶體管以3D而非2D形式排列在晶元中，提高晶元集成的晶體管數量。其他材料，如位於元素周期表中第三和第五列的元素，可以取代硅成為製造晶元的材料，因為它們的導電性更高。

目前尚不清楚這些材料是否可以大規模生產或成本是否足夠低，但是，考慮到科技行業巨頭的綜合專業知識，以及尋找新型晶元材料的動機——新的半導體材料可能在等著我們去發現。

量子計算

量子計算是本文列出的第二個最令人激動的原因。量子計算機現在還是一種實驗性和非常昂貴的技術。它與我們所熟知的基於晶體管的二進位數字電子計算機完全不同。

量子計算不是將數據編碼為0或1，而是處理量子比特，這些量子比特的值可以同時為0、1以及0和1。長話短說？這些狀態的疊加，可以使量子計算機的運行速度和效率遠遠超過當前的主流計算機。

製造量子計算機面臨諸多挑戰（首先，它們需要在溫度很低的環境中運行）。但是，如果工程師能夠解決這個問題，我們或許能夠以極其快的速度——讓戈登·摩爾感到目眩——推動技術的巨大進步。

我們尚未想到的技術

在20世紀80年代，很少有人能預測到目前的智能手機。在1990年代初期，谷歌將成為目前這樣的巨頭，或像亞馬遜這樣的電子商務網站將成為第一家市值達1萬億美元公司的想法，是很瘋狂的。

Digital Trends稱，關鍵是，在涉及計算的未來時，我們不應該認為自己完全知道即將出現的新技術。是的，目前量子計算看起來像是摩爾定律之後計算技術的長期希望，但是，未來數十年後計算機看起來會完全不同於我們目前使用的計算機。

無論是機器的新配置、全新材料製成的晶元還是全新的亞原子研究——開創了將晶體管封裝到晶元上的新方法，我們相信計算的未來——它具備的獨創性——將是最好的。

來源：Digital Trends

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！