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| 本文作者： 新智元 | 2016-03-25 15:29 |
按：本文由新智元基于 Economist 編譯。原標(biāo)題為《摩爾定律的黃昏，十大方向帶來(lái)計(jì)算行業(yè)的黎明
》。
【導(dǎo)讀】摩爾定律支配了計(jì)算領(lǐng)域 44 年的時(shí)間，今年終于宣告終結(jié)。在這之后計(jì)算領(lǐng)域會(huì)發(fā)生什么事？得益于半導(dǎo)體和芯片技術(shù)而高度繁榮的手機(jī)、PC 產(chǎn)業(yè)，會(huì)受到怎樣的影響？我們從未來(lái)的四大類(lèi)別、十大方向進(jìn)行剖析，分別是：
1.從根本上改變芯片的設(shè)計(jì)；2.尋找硅材料的替代品；3.從現(xiàn)有晶體管尋找出路；4.計(jì)算框架的變革。
摩爾定律最早由英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人 Gordon Moore 提出，內(nèi)容是：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件數(shù)量約每隔 18-24 個(gè)月就會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。后面 Moore 修正了模型，變?yōu)椋簡(jiǎn)挝幻娣e芯片上的晶體管數(shù)量每?jī)赡昴軐?shí)現(xiàn)翻番。
誰(shuí)也想不到，這個(gè) 1971 年提出的定律，竟能支配計(jì)算領(lǐng)域長(zhǎng)達(dá) 44 年的時(shí)間。直到今天（3月24日），英特爾官方宣布，放棄過(guò)去十年堅(jiān)持的 Tick-Tock 處理器發(fā)展模式，通過(guò)延長(zhǎng)制造工藝的生命周期，將之前的處理器研發(fā)周期從“兩步”變成“三步”：
制程工藝（PROCESS）
架構(gòu)更新（ARCHITECTURE）
優(yōu)化（OPTIMIZATION）
英特爾 CEO Brian Krzanich 表示，“我們的更新周期已經(jīng)從 2 年延長(zhǎng)到了 2 年半。”
這意味著對(duì)于英特爾而言，摩爾定律已經(jīng)失效。
摩爾定律的失效，并不出乎人們的意料。微軟研究院的副總裁 Peter Lee 曾經(jīng)開(kāi)玩笑說(shuō)：“預(yù)測(cè)摩爾定律將會(huì)失效的人數(shù)，每 2 年都會(huì)翻上一番?！倍谟⑻貭柟俜叫挤艞壸非竽柖汕€的時(shí)候，這一天也就到來(lái)了。
摩爾定律對(duì)整個(gè)計(jì)算產(chǎn)業(yè)有著舉足輕重的影響。我們最為關(guān)心的是，在摩爾定律之后，計(jì)算領(lǐng)域會(huì)發(fā)生什么改變？答案就在以下十大方向，包括：
1、從根本上改變芯片的設(shè)計(jì)：包括 3D 維度的芯片設(shè)計(jì)、周?chē)鷸艠O、量子隧穿效應(yīng)等。
2、尋找硅材料的替代品：包括硅 - 鍺（SiGe）、合金隧道、III-V 材料設(shè)計(jì)、石墨烯、自旋晶體管等。
3、從現(xiàn)有晶體管尋找出路：多核芯片、特制芯片、新品種芯片。
4、計(jì)算框架的變革：量子計(jì)算框架、光通信、量子阱晶體管、神經(jīng)形態(tài)計(jì)算、近似計(jì)算。
摩爾定律的黃昏將帶來(lái)機(jī)遇、混亂和大量的摧毀性創(chuàng)意。一個(gè)原本依賴(lài)于大量設(shè)備穩(wěn)步升級(jí)的行業(yè)將被撕碎。那么計(jì)算的未來(lái)，究竟會(huì)怎樣發(fā)展？
摩爾定律并不是一套“物理定律”，而是大公司定義的經(jīng)濟(jì)規(guī)則。在以英特爾為首的芯片公司定義了一套游戲規(guī)則，要在兩年的時(shí)間里把晶體管數(shù)量增加一倍，同時(shí)成本減少一半。
過(guò)去這套經(jīng)濟(jì)規(guī)則并沒(méi)有違反物理定律。研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)晶體管在體積變小時(shí)，性能也會(huì)變得更好：
體積較小的晶體管在開(kāi)啟關(guān)閉時(shí)需要的能量更少、速度也更快。這意味著你可以使用更多更快的晶體管，而無(wú)需付出更多能量或產(chǎn)生更多廢熱，因此芯片可以在越做越大的同時(shí)、性能也越來(lái)越好。
能做到這一點(diǎn)的公司獲得了成功，而做不到的則逐漸被歷史淘汰。但當(dāng)晶體管尺度變小到小型化的極限“原子尺寸”的時(shí)候，事情變得和人們期待的有所不同。
在這種原子尺寸下，現(xiàn)代晶體管的源極和漏極非常接近，大約是 20 納米的量級(jí)。這會(huì)引起隧道泄露，剩余電流能夠在裝置關(guān)閉的時(shí)候通過(guò)，浪費(fèi)了電量和產(chǎn)生不必要的熱量。
從這個(gè)來(lái)源產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的問(wèn)題。許多現(xiàn)代芯片都必須低于最高的速度運(yùn)行，或者周期性的關(guān)閉部分開(kāi)關(guān)以避免過(guò)熱，這限制了它們的性能表現(xiàn)。
現(xiàn)在的芯片晶體管間距已經(jīng)在 10 納米左右的量級(jí)了。減小間距會(huì)帶來(lái)非線性的成本增加，根據(jù)國(guó)際商務(wù)戰(zhàn)略公司 CEO Handel Jones 的估計(jì)，當(dāng)業(yè)界能夠生產(chǎn)晶體管間距 5 納米的芯片時(shí)（根據(jù)過(guò)去的增長(zhǎng)率來(lái)看可能出現(xiàn)在2020年代早期），晶圓廠的成本可能飆升到超過(guò) 160 億美元，這是英特爾目前年?duì)I收的三分之一。
2015 年英特爾的年?duì)I收是 554 億美元，只比 2011 年增長(zhǎng)了2%。這種營(yíng)收的緩慢增長(zhǎng)與成本的大幅上漲，帶來(lái)了顯而易見(jiàn)的結(jié)論：從經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)看，摩爾定律已經(jīng)過(guò)時(shí)了。
很顯然，傳統(tǒng)的芯片設(shè)計(jì)方案已經(jīng)到達(dá)了瓶頸。要找到下一代芯片，會(huì)需要兩個(gè)廣泛的變化。
1、晶體管的設(shè)計(jì)必須從根本改變；
2、行業(yè)必須找到硅的替代品，因?yàn)樗碾妼W(xué)屬性已經(jīng)被推到了極限。
1、根本改變芯片設(shè)計(jì)
（1）第三個(gè)維度
針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，一個(gè)解決方案是重新設(shè)計(jì)隧道和柵極。按照慣例，晶體管一直是平面的，但自從 2012 年之后，英特爾給產(chǎn)品增加了第三個(gè)維度。要啟用它來(lái)生產(chǎn)出只有 22 納米距離的芯片，它切換到了被稱(chēng)為“finFETch”的晶體管。這個(gè)產(chǎn)品讓一個(gè)通道在芯片表面豎起來(lái)，柵極圍繞著該通道三個(gè)裸露的方向（第二張圖），這使得它能夠更好的處理發(fā)生在隧道內(nèi)部的任務(wù)。這些新的晶體管做起來(lái)比較棘手，但相比過(guò)去相同尺寸的版本，要快 37%，而且僅僅消耗一半的電量。
（2）Gate-All-Around
下一個(gè)邏輯步驟，Argonne 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的 Snir 先生說(shuō)，是周?chē)鷸艠O（Gate-All-Around）的晶體管，它的通道被四面的柵極環(huán)繞。這能提供最大的控制，但它給制造過(guò)程增加了額外的步驟，因?yàn)闁艠O必須在多個(gè)部分分別構(gòu)建。大的芯片制造公司，例如三星曾經(jīng)表示，它可能會(huì)使用周?chē)鷸艠O的晶體管來(lái)制造 5 納米分離的芯片，三星以及其他的制造商，希望能做 2020 年代前期達(dá)到這個(gè)階段。
（3）量子隧穿效應(yīng)
除此之外需要更多外部的解決方案。一種想法是利用量子隧穿效應(yīng)，這對(duì)于傳統(tǒng)的晶體管來(lái)說(shuō)是很大的煩惱，而當(dāng)晶體管縮小的時(shí)候，事情也總會(huì)變得糟糕。這是有可能的，通過(guò)施加電場(chǎng)，以控制隧道效應(yīng)發(fā)生的速率。低泄漏率對(duì)應(yīng)狀態(tài) 0，高泄漏率對(duì)應(yīng) 1。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)隧道晶體管由 IBM 的團(tuán)隊(duì)在 2004 年展示。從那之后，研究人員一直致力于商業(yè)化。
2015 年，美國(guó)加州大學(xué)一個(gè)由 Kaustav Banerjee 領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，在 Nature 上發(fā)表了一篇文章，他們已經(jīng)建立了一個(gè)隧道晶體管，工作電壓只有 0.1，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于比目前正在使用的 0.7V，這意味著更少的熱量。但是在隧道晶體管變得可用之前，還有更多的工作需要完成。ARM 的微芯片設(shè)計(jì)師 Greg Yeric 說(shuō)道：“目前它們?cè)诖蜷_(kāi)和關(guān)閉開(kāi)關(guān)的速度還不夠快，不足以讓它們?cè)诳焖俚男酒惺褂谩im Greer 和他在愛(ài)爾蘭 Tyndall 研究院的同事提出了另一個(gè)思路，它們的設(shè)備被稱(chēng)為無(wú)連接納米線晶體管（JNT），旨在幫助解決小尺度制作的問(wèn)題：讓摻雜做的足夠好?！斑@些天你正在談?wù)摪雽?dǎo)體摻小量的硅雜質(zhì)，然后會(huì)很快來(lái)到這個(gè)點(diǎn)，即便是一個(gè)或兩個(gè)雜質(zhì)原子的錯(cuò)誤位置，都會(huì)激烈的影響晶體管的表現(xiàn)?！盙reer 博士說(shuō)道。
相反，他和他的同事提出建立自己的 JNTs，距離一種一致?lián)诫s的硅，只有 3 納米的跨越。通常來(lái)說(shuō)，這會(huì)導(dǎo)致一條電線，而不是一個(gè)開(kāi)關(guān)：一個(gè)有著均勻?qū)щ娔芰Φ脑O(shè)備，而且不會(huì)被關(guān)閉。但是在這種微小的尺度下，柵極的電子影響能夠剛好穿透電線，所以單獨(dú)的柵極能夠防止，在晶體管關(guān)閉的時(shí)候進(jìn)行電流流動(dòng)。
傳統(tǒng)晶體管的工作原理是，在原本彼此隔離的源極和漏極之間搭建電橋。Greer 博士的設(shè)備以其他的方式工作：更像一個(gè)軟管，柵極充當(dāng)著避免電流流動(dòng)?！斑@是真正的納米技術(shù)，”他說(shuō)：“我們的設(shè)備只能在這個(gè)尺度上工作，而最大的好處是，你不需要擔(dān)心制造這些繁瑣的結(jié)點(diǎn)。”
2、尋找硅的替代品
芯片制造商也在用超越硅的材料進(jìn)行試驗(yàn)。去年，一個(gè)包括了三星、Gobal Foundries、IBM 和紐約州立大學(xué)的研究聯(lián)盟，公布了一個(gè) 7 納米的微芯片，這個(gè)技術(shù)被在 2018 年以前，并不被期待來(lái)到消費(fèi)者的手中。它使用了和上一代發(fā)布的 FinFET 相同的設(shè)計(jì)，做了輕微的修改，但盡管大多數(shù)的設(shè)備都是從通常的硅制作完成的，其晶體管大約一半都是由硅 - 鍺（SiGe）合金制成的隧道。
（4）硅 - 鍺（SiGe）合金
選擇了這種設(shè)計(jì)，是因?yàn)樵谀承┓矫?，這是比硅更好的導(dǎo)體。再一次，這意味著更低的功率使用，并且允許晶體管更快的打開(kāi)和關(guān)閉，提升芯片的速度。但這不是萬(wàn)能藥，IBM 物理科學(xué)部門(mén)的負(fù)責(zé)人 Heike Riel 說(shuō)?，F(xiàn)代芯片從兩種晶體管構(gòu)建，一個(gè)被設(shè)計(jì)為傳導(dǎo)電子，帶著負(fù)電荷。其他種類(lèi)被設(shè)計(jì)來(lái)導(dǎo)入“洞”里，這會(huì)放置在可能、但意外沒(méi)有包含電子的半導(dǎo)體中。這些的出現(xiàn)，表現(xiàn)的就像它們帶有正電荷的電子。并且，雖然硅鍺擅長(zhǎng)輸送“洞穴”，但相比硅來(lái)說(shuō)，它不是很擅長(zhǎng)移動(dòng)電子。
沿著這些線路到更高性能的表現(xiàn)，未來(lái)的路徑可能需要同時(shí)把硅鍺和其他混合物，讓電子能比硅制材料中更好的移動(dòng)。擁有最好電學(xué)性能的材料是一些合金，例如銦，鎵和砷化，在元素周期表中統(tǒng)稱(chēng)為 III-V 材料。
麻煩的是，這些材料很難和硅進(jìn)行融合。它們晶格中原子之間的間隔距離，和硅原子之間有很大的不同。所以將它們的一層增加到硅基片中，從中所有芯片的制作都會(huì)導(dǎo)致壓力，這會(huì)帶來(lái)芯片斷裂的壓力。
（5）石墨烯
最著名的替代方法是石墨烯，它是單原子厚的碳形式（二維）。石墨烯在操作電子和空穴的時(shí)候表現(xiàn)的非常好，但難點(diǎn)在于如何使它停止下來(lái)。研究人員一直試圖通過(guò)摻雜、壓碎、擠壓石墨烯，或者使用電場(chǎng)來(lái)改變電學(xué)的性能?，F(xiàn)在已經(jīng)有了一些進(jìn)展：曼徹斯特大學(xué) 2008 年報(bào)告了一個(gè)正在工作的石墨烯晶體管；加州大學(xué) Guanxiong Liu 帶領(lǐng)的研究小組，2013 年使用了一種有“負(fù)電阻”特性的材料以制作設(shè)備。但對(duì)石墨烯真正的影響，Yeric 博士說(shuō)道，是刺激對(duì)其他二維材料的興趣。“石墨烯是一個(gè)打開(kāi)的盒子，”他說(shuō)道：“我們現(xiàn)在正在尋找像二硫化鉬的物質(zhì)，或黑色磷、磷硼的混合物?！敝匾氖牵械倪@些都像硅一樣，可以很容易打開(kāi)和關(guān)閉。
如果一切都按照計(jì)劃進(jìn)行，Yeric 博士說(shuō)，新型的晶體管設(shè)計(jì)和新材料，可能讓事情在 5 年或 6 年里還滴答作響，到了那個(gè)時(shí)候可能會(huì)有 5 納米的晶體管。但除此之外，“我們已經(jīng)用盡了一切方法，避開(kāi)真正根本性的需求?！?/p>
（6）自旋晶體管
對(duì)于這方面來(lái)說(shuō)，他最傾向的候選對(duì)象是所謂的“自旋電子學(xué)”。電子系使用一個(gè)電子的電荷來(lái)代表信息，自旋電子學(xué)使用“旋轉(zhuǎn)”，這是電子的另一個(gè)固有屬性，并且和物體擁有的轉(zhuǎn)動(dòng)能量相關(guān)聯(lián)。它很有用，旋轉(zhuǎn)有兩個(gè)變化：向上和向下，它可以用來(lái)表示 1 和 0。計(jì)算機(jī)行業(yè)對(duì)自旋電子學(xué)已經(jīng)有了一些經(jīng)驗(yàn)：例如它是硬盤(pán)里的應(yīng)用。
對(duì)自旋晶體管的研究已經(jīng)超過(guò)了 15 年，但是迄今為止還沒(méi)有投入生產(chǎn)。難做的是，驅(qū)動(dòng)它所需的電壓是非常微小的：10-20 毫伏，相比常規(guī)的晶體管要少數(shù)百倍，這可以解決熱量的問(wèn)題。但是這也帶來(lái)了設(shè)計(jì)的問(wèn)題， Yeric 說(shuō)道。有著這種分鐘電壓，在電子噪音中區(qū)分 1 和 0，變得非常棘手。
“在實(shí)驗(yàn)室里建造一個(gè)新奇的晶體管，是相對(duì)而言比較容易的事情，”分析師 Linley Gwennap 說(shuō)道。?！暗且〈覀兘裉煺谧龅氖虑?，你需要在一個(gè)芯片上投入數(shù)十億美元，需要有合理的成本，以及非常高的可靠性，而且?guī)缀跻獩](méi)有任何缺陷。我不會(huì)說(shuō)著無(wú)法做到，但這是非常困難的?！?/strong>這也讓尋找其他的辦法制作更好的計(jì)算機(jī)，變得十分重要。
3、從現(xiàn)有晶體管尋找出路
嚴(yán)格的說(shuō)，摩爾定律是關(guān)于越來(lái)越多數(shù)目的組件，可以被整合進(jìn)一個(gè)給定的設(shè)備中。更一般的說(shuō)，計(jì)算機(jī)總是變得越來(lái)越好。隨著晶體管變得越來(lái)越難以縮小，計(jì)算公司開(kāi)始考慮更好的利用已有的晶體管設(shè)備。“過(guò)去管理者們不希望在密集設(shè)計(jì)上投入過(guò)多，”ARM 的 Greg Yeric 說(shuō)道：“我認(rèn)為這將會(huì)開(kāi)始發(fā)生變化。”
一種方法是：讓現(xiàn)有的芯片工作強(qiáng)度更大。電腦芯片有一個(gè)主時(shí)鐘，每次它滴答的時(shí)候，里面的晶體管就會(huì)進(jìn)行開(kāi)、關(guān)動(dòng)作。更快的時(shí)鐘，意味著更快的執(zhí)行指令。提高時(shí)鐘速率已經(jīng)使得芯片在過(guò)去的 40 年里變得更快的主要途徑。但是，在過(guò)去的 10 年里，時(shí)鐘速率幾乎沒(méi)有變化。
（7）多核芯片
芯片制造商通過(guò)使用額外的晶體管，壓縮以復(fù)制芯片已有的線路作為回應(yīng)。這種“多核心”芯片，把一些比較慢的處理器捆綁起來(lái)，要比單純依靠單一的快速處理器表現(xiàn)的要更好。大多數(shù)現(xiàn)代的臺(tái)式計(jì)算機(jī)是 4 到 8 核，有的甚至有 16 個(gè)核。
但是，正如業(yè)內(nèi)人士發(fā)現(xiàn)的，多核芯片的速度達(dá)到了限制。“大家一致認(rèn)為，如果我們繼續(xù)這樣做，如果我們的芯片有 1000 個(gè)核，那么一切都會(huì)好起來(lái)的?！蔽④浶酒O(shè)計(jì)專(zhuān)家 Doug Burger 說(shuō)道。但是，要獲得最佳的芯片，程序員們不得不把任務(wù)人分解成小塊，讓它們可以同時(shí)工作?！笆聦?shí)證明，這真的很難?！盉urger 博士說(shuō)。實(shí)際上，對(duì)于一些數(shù)學(xué)任務(wù)而言，這是不可能的事。
（8）特制芯片
另一種方法是專(zhuān)攻。使用最廣泛的芯片，例如 Intel’s Core 產(chǎn)品線，或者那些基于 ARM’s Cortex 設(shè)計(jì)的芯片（在地球上幾乎所有的手機(jī)都能找到）都是多面手，它們具有很強(qiáng)的靈活性。不過(guò)這是有代價(jià)的：它們可以做一切事情，但沒(méi)有一件事情能做的完美。調(diào)整硬件，讓它更好的適用于特別的數(shù)學(xué)任務(wù)，可以讓你在解決一般性的任務(wù)時(shí)，有著 100 到 1000 倍的提升。Intel’s Pentium 芯片的設(shè)計(jì)者 Bob Colwell 說(shuō)。
專(zhuān)門(mén)特制的芯片已經(jīng)在計(jì)算行業(yè)的一些領(lǐng)域中得到使用。最著名的例子是用來(lái)提高視頻游戲視覺(jué)效果的顯卡，由Nvidia和AMD之類(lèi)的公司所設(shè)計(jì)，在1990年代中期嶄露頭角。英特爾后來(lái)的奔騰芯片也有為一些任務(wù)（比如視頻解碼）設(shè)計(jì)內(nèi)置的特制邏輯。但這正也有缺點(diǎn)。
設(shè)計(jì)新的芯片需要數(shù)年的時(shí)間，研發(fā)成本可能高達(dá)數(shù)千萬(wàn)甚至數(shù)億美元。特制芯片也比通用用途的芯片更難編程。并且，由于天性使然，它們只能提升某些任務(wù)上的性能表現(xiàn)。
特制邏輯更好的目標(biāo)對(duì)象——至少在一開(kāi)始的時(shí)候——可能是數(shù)據(jù)中心，這些需要龐大計(jì)算力的倉(cāng)庫(kù)為運(yùn)行互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)器提供著動(dòng)力。
由于數(shù)據(jù)中心處理著海量的數(shù)據(jù)，它們可能永遠(yuǎn)都需要一塊只能做一件事、但做得非常好的芯片。
基于這個(gè)原因，微軟——全球最大的軟件公司和云計(jì)算服務(wù)供應(yīng)商之一——正在投資芯片設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)。2014年，微軟公布了一臺(tái)名為Catapult的新設(shè)備，它使用了一種叫做現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列（FPGA）的特殊芯片，這種芯片的設(shè)置可以隨心所欲地進(jìn)行調(diào)整。FPGA提供了一種介于特制和靈活之間的折中，非常實(shí)用，帶領(lǐng)Catapult研發(fā)團(tuán)隊(duì)的Burger說(shuō)道：“這是想要在可編程的軟件以外也有可編程的硬件”。當(dāng)一個(gè)任務(wù)結(jié)束以后，F(xiàn)PGA可以在不到1秒內(nèi)被重新調(diào)整到符合另一個(gè)任務(wù)的設(shè)置。
這種芯片已經(jīng)被微軟的搜索引擎Bing所使用，微軟表示，F(xiàn)PGA使服務(wù)器在給定時(shí)間里能處理的請(qǐng)求數(shù)量翻了一倍。除此之外，也有許多其他的潛在應(yīng)用，Peter Lee這樣說(shuō)道，他是Burger在微軟的頂頭上司。當(dāng)某種特定的算法需要被反復(fù)應(yīng)用在數(shù)據(jù)流上時(shí)，F(xiàn)PGA脫穎而出。一種可能性是用Catapult來(lái)加密計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)流以確保它們的安全性。另一種可能性是將它用在云端互聯(lián)手機(jī)的語(yǔ)音識(shí)別和圖像識(shí)別任務(wù)上。
這種技術(shù)不是全新的，但是直到現(xiàn)在才找到使用它的理由。全新的是“云端正在以讓人瞠目的速度增長(zhǎng)，”Burger說(shuō)道，“現(xiàn)在摩爾定律正在不斷放緩，這使得越來(lái)越難以增加足夠的計(jì)算力來(lái)與云端相匹配。所以這類(lèi)后摩爾時(shí)代的項(xiàng)目開(kāi)始變得有經(jīng)濟(jì)意義?！?/strong>
（9）3D 芯片
撇開(kāi)鰭形晶體管（finned transistors）不談，現(xiàn)代芯片都是非常扁平的。但是也有一些公司，包括IBM，正在研究將芯片互相疊加——就像一層一層疊高樓房一樣——來(lái)讓設(shè)計(jì)師們能夠在給定區(qū)域里安置更多晶體管。三星已經(jīng)在銷(xiāo)售用垂直堆疊的閃存制作的存儲(chǔ)系統(tǒng)了。去年，英特爾和Micron（一家大型內(nèi)存制造商）宣布研發(fā)出了一種名為3D Xpoint的新型內(nèi)存技術(shù)，能夠利用堆疊的內(nèi)存。
IBM的研究人員們則致力于研究某種稍有不同的東西：將內(nèi)存層（slices of memory）疊在處理邏輯層（slices of processing logic）之間，像三明治一樣的芯片。這將能讓工程師們把大量的計(jì)算封裝到非常小體積的芯片上，同時(shí)帶來(lái)很大的性能提升。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的主存儲(chǔ)器（main memory）位于距離處理器幾厘米遠(yuǎn)的地方。從硅晶的傳遞速度（silicon speeds）來(lái)說(shuō)，一厘米已經(jīng)是非常長(zhǎng)的距離了。在這樣的距離上傳遞信號(hào)也很浪費(fèi)能量。將內(nèi)存移至芯片中以后，就把這些距離從厘米級(jí)降到了微米級(jí)，使數(shù)據(jù)傳輸更快速。
但是3D芯片面對(duì)著2個(gè)大問(wèn)題。第一個(gè)就是熱量。扁平的芯片在這方面已經(jīng)夠糟糕了，在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心里有數(shù)以千計(jì)的風(fēng)扇為服務(wù)器散熱，轟鳴聲不絕于耳。增加疊加層數(shù)以后，芯片內(nèi)部——也就是熱量產(chǎn)生的地方——熱量增加速度會(huì)超過(guò)散熱速度。
第二個(gè)問(wèn)題是如何接入電力。芯片通過(guò)其背面數(shù)以百計(jì)的金屬“針（pins）”與外界相連?，F(xiàn)代芯片對(duì)電力的需求高到多達(dá)80%的金屬針都被設(shè)置為用來(lái)傳輸電力，只剩下非常少的數(shù)量用來(lái)處理數(shù)據(jù)輸入和輸出。在3D形態(tài)下，這種局限被放得更大，因?yàn)橥瑯訑?shù)量的金屬針必須要滿(mǎn)足比原先復(fù)雜得多的芯片。
IBM希望能通過(guò)在3D芯片中置入微型內(nèi)部管道來(lái)一箭雙雕地解決這2個(gè)問(wèn)題。微流控通道（microfluidic channels）可以將冷卻液運(yùn)往芯片的核心部分，一下子將內(nèi)部空間中的熱量都帶走。這家公司已經(jīng)在傳統(tǒng)的扁平芯片上測(cè)試了這種液體冷卻技術(shù)。微流控系統(tǒng)可以最終從1立方厘米的空間里帶走大約1千瓦的熱量——差不多和電加熱器上一片加熱器的輸出差不多，這個(gè)團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人Bruno Michel說(shuō)道。
而液體能做的不只是冷卻芯片，它也能傳遞能量。受到自己生物學(xué)背景的啟發(fā)，Michel將這種液體命名為“電子血液”。如果他能順利完成的話，這種液體之于計(jì)算機(jī)芯片就會(huì)像生物血液之于生物體：在提供能量的同時(shí)保持體溫恒定。Michel的想法是液流電池（flow battery）的一種變體：在液流電池中，兩種液體在膜的兩側(cè)相遇并產(chǎn)生電流。
液流電池非常簡(jiǎn)單易懂。電力行業(yè)一直在研究液流電池，想將它作為儲(chǔ)存來(lái)自可再生能源的能量的一種方式。Michel的系統(tǒng)距離商業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)還有許多年要走，但是原理已經(jīng)確立：當(dāng)Ruch打開(kāi)液流開(kāi)關(guān)，管道連接到的芯片就會(huì)“蘇醒”——而你在視線范圍內(nèi)根本看不到插頭或是電線。
4、計(jì)算框架變革
（10）量子計(jì)算
量子技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)速度上的大飛躍，但是只是在特定的應(yīng)用上。
THE D-Wave 2X 是一個(gè)黑色的盒子，看起來(lái)有點(diǎn)像電影《2001：太空漫游》中神秘的黑石板的縮小版。它不是一般的機(jī)器，它是世界上第一臺(tái)在商業(yè)上可用的量子計(jì)算機(jī)。目前已經(jīng)和惠普、微軟、IBM 和谷歌建立了合作。
量子計(jì)算是一種完全不同的處理信息的方法。在一些普通機(jī)器難以處理的問(wèn)題上，它擁有巨大的速度優(yōu)勢(shì)。即使摩爾定律得以無(wú)限地延伸下去，這些問(wèn)題也會(huì)持續(xù)的困擾普通機(jī)器。
而量子計(jì)算常常是被誤解，有時(shí)是過(guò)分吹噓的。其中部分原因是該領(lǐng)域本身還很新，所以其理論基礎(chǔ)依然還在搭建中。在一些任務(wù)的完成上，量子機(jī)器毫無(wú)疑問(wèn)要比最好的非量子機(jī)器要快。但是在其它的大部分任務(wù)上，這一優(yōu)勢(shì)就沒(méi)那么明顯了。“在許多情況下，我們不能確定某個(gè)量子計(jì)算機(jī)會(huì)比大家熟知的經(jīng)典計(jì)算機(jī)快”，麻省理工學(xué)院的計(jì)算機(jī)科學(xué)家 Scott Araronson 說(shuō)?？捎玫牧孔佑?jì)算機(jī)將會(huì)是一個(gè)福利，但是沒(méi)人能確定這個(gè)福利會(huì)有多大。
一個(gè)例子是，找到一個(gè)很大的數(shù)字中的質(zhì)數(shù)因子：這個(gè)問(wèn)題中，隨著目標(biāo)數(shù)字變大，難度會(huì)呈指數(shù)式的遞增。換句話說(shuō)，摩爾定律中，每一次芯片工藝的升級(jí)，都只能再影響到稍微大一點(diǎn)的數(shù)字。確定質(zhì)數(shù)因子組成了大多數(shù)密碼的數(shù)學(xué)支柱，這能在數(shù)據(jù)游走在互聯(lián)網(wǎng)上時(shí)起到保護(hù)作用，恰好是因?yàn)檫@很困難。
兩個(gè)非常規(guī)的量子現(xiàn)象，量子比特，或者說(shuō)是量子位，在運(yùn)行是完全不一樣的。第一是“疊加”態(tài)，指一種持續(xù)不確定性的狀態(tài)，能讓原子同時(shí)能在不同的狀態(tài)存在。比如，一個(gè)量子粒子是沒(méi)有具體的位置的，只有說(shuō)是有出現(xiàn)在某個(gè)地方的可能性。在計(jì)算層面，這意味著，一個(gè)量子位，不是特定的1或特定的0，而是以二者混合的方式存在。第二個(gè)量子現(xiàn)象是“牽連”態(tài)，不同粒子的發(fā)展綁被在一起，所以其中某一個(gè)粒子受到影響的話，會(huì)立刻在其它粒子上有所反映。 這能讓量子計(jì)算機(jī)在同一時(shí)間處理所有的量子位。
結(jié)果便是，一臺(tái)機(jī)器能夠一次性地呈現(xiàn)并處理海量的數(shù)據(jù)。例如，一個(gè)300量子位的機(jī)器，能夠同時(shí)描繪2300個(gè)不同的1和0串，這一數(shù)字幾乎等同于可見(jiàn)宇宙中所有的原子數(shù)量。并且，由于量子位是牽連的，所以要同時(shí)處理所有的這些數(shù)字也是可能的。
其他技術(shù)
光通信：使用光來(lái)代替電，在電腦，甚至芯片間進(jìn)行溝通。這將能降低能源消耗，促進(jìn)發(fā)展。惠普、麻省理工學(xué)院。
更好的存儲(chǔ)技術(shù)：建造新的快速、密集和便宜的內(nèi)存，解決在計(jì)算機(jī)性能上遇到的瓶頸。英特網(wǎng)，美光（Micron）。
量子阱晶體管：使用量子現(xiàn)象來(lái)改變晶體管中的電池的表現(xiàn)，提升性能，使得摩爾定律能夠再反復(fù)，提升速度，降低能源消耗。
開(kāi)發(fā)新的芯片和軟件：在從專(zhuān)門(mén)化的芯片串建立的機(jī)器上實(shí)現(xiàn)代碼編寫(xiě)的自動(dòng)化。已經(jīng)證明，這在Soft Machines上尤為困難。
近似計(jì)算：讓計(jì)算機(jī)的內(nèi)部表征數(shù)字更加精確，以減少每次計(jì)算時(shí)的比特?cái)?shù)量，進(jìn)而節(jié)省能源；允許計(jì)算機(jī)在計(jì)算中發(fā)生隨機(jī)的小失誤，能夠釋放配對(duì)的其它比特，這也能節(jié)約能源。華盛頓大學(xué)，微軟。
神經(jīng)形態(tài)計(jì)算：以動(dòng)物大腦中處理信息的纏結(jié)和緊密聯(lián)結(jié)的神經(jīng)束為模型開(kāi)發(fā)設(shè)備。這可能會(huì)降低能源消耗，想識(shí)別模式和其它的AI相關(guān)的任務(wù)也被證明是有用的。IBM，高通。
碳納米管晶體管：這些卷起的石墨片材保證了低的能力消耗和高的速度，正如石墨烯那樣。和石墨烯不同，它們也能夠輕松的關(guān)閉。但是很難進(jìn)行量化生產(chǎn)。IBM，斯坦福大學(xué)。
5、總結(jié)
摩爾定律的終結(jié)將會(huì)讓計(jì)算機(jī)行業(yè)變得更加的復(fù)雜。在摩爾定律處于巔峰時(shí)期時(shí)，行業(yè)是很簡(jiǎn)單的。計(jì)算機(jī)的以可預(yù)測(cè)的方式和速度升級(jí)。隨著節(jié)拍被打亂，計(jì)算機(jī)行業(yè)將成為一個(gè)更加復(fù)雜的地方。類(lèi)似智能設(shè)計(jì)和狡猾的編程是有用的，奔騰的芯片設(shè)計(jì)師Bob Colwell說(shuō)：“但是許多一次性的創(chuàng)意的集合不能彌補(bǔ)潛在指數(shù)上的不足。”
跟此前相比，發(fā)展將變得更不可預(yù)測(cè)，受到的局限會(huì)增多，速度會(huì)減慢。“隨著摩爾定律消退，我們被迫在三個(gè)方面，即力量、表現(xiàn)和成本上作出艱難的選擇”，ARM的芯片設(shè)計(jì)師Greg Yeric說(shuō)，“一個(gè)特定的答案不能完美地服務(wù)于所有的終端使用?！?/strong>
摩爾定律的黃昏將帶來(lái)機(jī)遇、混亂和大量的摧毀性創(chuàng)意。一個(gè)原本依賴(lài)于大量設(shè)備穩(wěn)步升級(jí)的行業(yè)將被撕碎。
軟件公司將開(kāi)始進(jìn)入硬件生產(chǎn)；硬件制造商需要改進(jìn)自己的產(chǎn)品，更貼近用戶(hù)越來(lái)越多樣化的需求。但是，正如Colwell所說(shuō)，要記得，消費(fèi)者并不會(huì)在乎摩爾定律：“大多數(shù)買(mǎi)計(jì)算機(jī)的人甚至根本胡知道晶體管有什么用”。他們僅僅是想要這個(gè)產(chǎn)品，他們購(gòu)買(mǎi)，是想要更好、更有用。過(guò)去，這意味著大多數(shù)都是在速度上獲得指數(shù)式的增長(zhǎng)。這條道路已經(jīng)走到盡頭。但是依然有很多別的方法來(lái)制造更好的計(jì)算機(jī)。
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