1965年，時任仙童半導(dǎo)體公司研發(fā)主管的戈登·摩爾發(fā)表了一篇標(biāo)題很直白的文章《讓集成電路填滿更多的組件》。摩爾預(yù)測，以最優(yōu)成本在芯片上集成的晶體管數(shù)量將每年翻一番。10年后，他將自己的預(yù)測修正為大家所知的摩爾定律：每兩年計算機芯片上的晶體管數(shù)量將增加一倍。集成電路讓計算機工作，而摩爾定律讓計算機進(jìn)化。
由于晶體管是電子計算的“原子”——這些微小的開關(guān)用不同的電壓表示0和1，計算機在存儲和計算中用到的每個二進(jìn)制數(shù)字都是由它們編碼的，如果你能讓相同物理空間內(nèi)容納的晶體管數(shù)量增加一倍，你就能把同樣成本所能獲得的運算能力提升一倍。
英特爾公司在1974年發(fā)布的第一款通用微處理器8080開啟了個人計算機革命。這塊兩英寸長的方糖形晶片內(nèi)含4500個晶體管。但現(xiàn)在，市場上可買到的密度最高的芯片是英特爾公司的高性能服務(wù)器中央處理器(CPU)，每個CPU內(nèi)包含45億個晶體管。
在英特爾公司位于俄勒岡州希爾斯伯勒的晶圓廠里，該公司最新的制造工藝能在一塊硅晶片上蝕刻出小至14納米的電路結(jié)構(gòu)。隨著晶體管密度的指數(shù)式增長，20世紀(jì)中期還是房間大小的真空管計算工具，到了21世紀(jì)初已經(jīng)變成了小得令人驚訝的硅基計算機。
即使摩爾定律也要臣服于物理規(guī)律——在10年之內(nèi)，這種速度前所未有的微型化進(jìn)程將無法繼續(xù)持續(xù)下去。正因為如此，英特爾、IBM、惠普等芯片制造商傾注了數(shù)十億美元的研發(fā)經(jīng)費，來尋找后摩爾定律時代的解決方案。
一塊計算機芯片，是否一定得是蝕刻在硅片上面的二維電子線路陣列?IBM公司認(rèn)為不是：它正在認(rèn)真地研究用來充當(dāng)計算電路基底的碳納米管和石墨烯。IBM和惠普也把部分賭注押在了光子學(xué)上，這種技術(shù)會用光脈沖來代替電壓。
惠普公司甚至更進(jìn)一步，想擴展電子學(xué)本身的基本理論。這家公司研制了一臺原型計算機，代號為“The Machine”。這臺計算機利用了電子學(xué)中一個人們尋找了很久的缺失環(huán)節(jié)——憶阻器的力量。早在幾十年前就有人根據(jù)數(shù)學(xué)模型提出了憶阻器的概念，但直到最近，它才被真正開發(fā)出來。憶阻器可以把計算機的存儲設(shè)備和隨機存取存儲器(RAM)的功能結(jié)合起來。用憶阻器代替晶體管后，把CPU形容為一臺計算機的“大腦”的常用比喻會變得更加貼切，原因是前者的實際作用更像是神經(jīng)元：它們既能傳輸和編碼信息，也能存儲這些信息。通過這種方式把易失性存儲器和非易失性存儲器融為一體，可以極大地提升效率并減輕所謂的“馮·諾依曼瓶頸”的影響。這個瓶頸在半個世紀(jì)以來一直制約著計算能力。
這些技術(shù)中，還沒有任何一個可在未來幾年內(nèi)取代或強化筆記本電腦及手機中的芯片。不過在這個10年結(jié)束之時，它們中至少有一種必定能夠帶來計算性能的提升，從而有機會取代必定會走向衰落的傳統(tǒng)硅電路技術(shù)。問題在于：是哪一種技術(shù)?這種取代會發(fā)生在何時?
晶體管縮小已達(dá)物理極限
超越硅材料摩爾定律背后的想法很簡單——將晶體管的尺寸減半意味著你可以用同樣的成本獲得兩倍的計算性能。但摩爾定律的內(nèi)涵要比這更豐富。IBM公司一位名叫羅伯特· 登納德的科學(xué)家發(fā)表了現(xiàn)在被稱為登納德縮放定律(Dennardscaling)的解釋，描述了當(dāng)MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，是當(dāng)時的主流技術(shù))的物理尺寸縮小時，其功率密度是如何保持不變的。換句話說，隨著晶體管的縮小，它開啟和關(guān)閉時所需的電壓和電流也同樣降低了 。
在這之后的30年中，登納德縮放定律一直是摩爾定律的秘密驅(qū)動器。然而接下來，登納德縮放定律失效了。當(dāng)晶圓廠在硅片上蝕刻的特征尺度縮短到65納米(大約是HIV病毒長度的一半)以下時，芯片設(shè)計師們發(fā)現(xiàn)，因為量子力學(xué)效應(yīng)，他們的晶體管開始“泄漏” 電子了。
不僅如此，IBM和英特爾的研究人員還發(fā)現(xiàn)了一個所謂的頻率墻，它給硅基CPU執(zhí)行邏輯運算的速度設(shè)了一個上限，大概是每秒40億次。超過這個上限，CPU就會因過熱而融化。
嚴(yán)格說來，摩爾定律還可以延續(xù)下去(也的確延續(xù)下去了)：英特爾公司仍然每過兩年就在它的晶圓上塞滿更小的晶體管。然而，更小的晶體管并沒有簡單地轉(zhuǎn)化為價格更便宜、速度更快的計算機。
自2000年開始，面對這些障礙的芯片，工程師找到了一些聰明的應(yīng)對辦法。他們通過引入多核CPU避開了頻率墻。他們用可從3個方向控制電流的“三柵”晶體管，代替了只能控制一個方向的普通晶體管，減輕了電子泄漏的問題。他們還開發(fā)出了可以讓CPU把特別繁重的任務(wù)外包給專用模塊的系統(tǒng)。但這些權(quán)宜之計不會改變這樣一個事實：硅基芯片繼續(xù)縮小的趨勢在不到10年內(nèi)就將終結(jié)。
惠勒在加利福尼亞州帕羅奧圖的團隊設(shè)計了一種新型計算機——“The Machine”。這種計算機廢除了存儲器層級結(jié)構(gòu)，把三層硬件融為一體。SRAM速度極快(所以它能夠跟得上CPU的速度)，但功耗大且容量小。主內(nèi)存，或稱動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)的速度也相當(dāng)快，而且儲存密度大，還耐用——這都是很有價值的優(yōu)點，因為它是你的電腦用來運行活躍應(yīng)用程序的工作平臺。
當(dāng)然，斷電會使DRAM中的所有東西統(tǒng)統(tǒng)消失，這就是為什么有必要使用閃存和硬盤這樣的“非易失性”存儲介質(zhì)來長期保存數(shù)據(jù)。
惠勒說，幾十年來，一種同時擁有SRAM的速度、DRAM的耐用性和閃存的容量與能效的通用存儲器一直是工程師、設(shè)計師和程序員心中的圣杯?！癟he Machine”利用憶阻器這種特殊的電子元件，滿足了人們對通用存儲器的后兩個要求。2008年，惠普公司宣布制造出了第一個可以工作的憶阻器，該研究項目在公司內(nèi)部快速推進(jìn)，并最終成為“The Machine”的雛形。
為了獲得類似SRAM的性能，憶阻器單元得緊挨著CPU，與它放在同一顆硅芯片上，但在現(xiàn)有技術(shù)條件下，這樣的布置在物理上是不可能實現(xiàn)的。作為替代，惠普公司計劃利用光子學(xué)技術(shù)——用激光脈沖代替電流傳輸數(shù)字信息——把高性能的憶阻器內(nèi)存與邏輯處理器中的標(biāo)準(zhǔn)SRAM緩存連接起來?！癟he Machine”把存儲器層級結(jié)構(gòu)從三層壓縮到了兩層，雖然它還不是真正的通用存儲器，不過已經(jīng)很接近了 。
通過把非易失性存儲器與SRAM合為一體，“The Machine”這樣基于憶阻器的架構(gòu)也可以大幅提升計算機性能，不必再依靠摩爾定律式的晶體管微型化。
惠勒認(rèn)為，如果通用存儲器能讓更小、能耗更低的設(shè)備具備類似于超級計算機的能力，這些數(shù)據(jù)流就可以在本地由聯(lián)網(wǎng)設(shè)備本身存儲和預(yù)處理。
摩爾定律經(jīng)典公式依然重要
即使惠普公司在構(gòu)建通用存儲器上的押注大獲成功，計算機的本質(zhì)也沒什么變化。計算機的基本架構(gòu)是數(shù)學(xué)家約翰·馮·諾依曼在1945年確定的，包括一個執(zhí)行指令的處理器、一個存儲這些指令和指令操作數(shù)據(jù)的存儲器，以及一個把它們連接起來的“總線”。這種馮·諾依曼架構(gòu)對于執(zhí)行線性序列中的符號指令——也被稱為做算術(shù)——是最理想的。
但是，今天我們越來越多地需要用計算機做一些不太適于歸為線性數(shù)學(xué)指令的工作：例如，在長時間的錄像中識別感興趣的對象，或是指引自動機器人穿過不穩(wěn)定的或有危險的區(qū)域。
IBM公司認(rèn)知計算團隊的創(chuàng)始人德爾門德拉·莫德哈希望能制造出至少和家蠅一樣“聰明”和節(jié)能的計算機芯片組。他解釋說，關(guān)鍵在于廢除計算器式的馮·諾依曼架構(gòu)。
IBM公司最近推出了TrueNorth芯片，它把超過50億個晶體管排列在4096個神經(jīng)突觸核心上，可以模擬100萬個神經(jīng)元和2.56億個突觸連接。
這種架構(gòu)的優(yōu)勢在于能以一支激光筆的耗能量進(jìn)行實時的模式匹配。IBM公司的目標(biāo)是把這兩種架構(gòu)的優(yōu)點都利用起來——一個用于精確和邏輯的運算，另一個用于響應(yīng)迅速、聯(lián)想式的模式匹配，從而組成一種它所描述的整體計算系統(tǒng)。
對于這樣的目標(biāo)，摩爾定律的經(jīng)典公式依然重要。莫德哈的團隊已經(jīng)在一塊電路板上封裝了16塊TrueNorth芯片，到今年年底時，這個團隊計劃把8塊這樣的電路板疊加在一起，組成一個烤箱大小，功率僅100瓦的設(shè)備，這個設(shè)備的計算能力“將和整個數(shù)據(jù)中心相當(dāng)”。換句話說，硅和晶體管的數(shù)量仍然很重要——但更重要的是如何布置它們。
對經(jīng)典是顛覆還是拓展?
英特爾公司的組件研發(fā)主管邁克爾·C·梅伯里認(rèn)為，有關(guān)摩爾定律真正說的并不是晶體管。他說：“單位功能的成本才是核心?！睙o論是以哪種方式衡量，每平方厘米硅上的晶體管、每秒執(zhí)行的代碼指令還是每瓦能量所獲得的性能，真正重要的都是用更少的資源來做更多的工作。因此，英特爾公司在自己的網(wǎng)站上將摩爾定律描述為一種商業(yè)模式而非一種技術(shù)趨勢或自然規(guī)律也就不足為奇了 。
英特爾、IBM和惠普一致認(rèn)為，計算性能的未來——也就是整個產(chǎn)業(yè)將如何以更低的成本來提供更強的功能——看起來不會再像一條直線或曲線，反而會更像有很多分支的生物進(jìn)化樹。
正在消亡的不是摩爾定律，而是摩爾定律描繪并成功開啟的高效通用計算時代。梅伯里把這個時代形容為，“盡可能地把所有東西都塞進(jìn)盒子里”。
同以往不同的是，對降低單位功能成本的不懈追求將改由所謂的異構(gòu)計算來驅(qū)動，摩爾定律分拆為了“摩爾定律們”。IBM、英特爾、惠普等公司集成的將不僅是電路，還有滿足不同種類計算工作迅速增長需求的完整系統(tǒng)。IBM公司的伯納德·S·梅爾森認(rèn)為，人們是在購買功能而非電腦芯片;事實上，他們對購買計算機越來越缺乏興趣。我們只是希望自己的工具可以計算，或“思考”，從而能在我們使用它們的場合中發(fā)揮作用。
不過，異構(gòu)計算表明，計算更有可能向外擴展到過去那些 “非智能”的物體、系統(tǒng)和領(lǐng)域中，讓汽車、網(wǎng)絡(luò)路由器、醫(yī)療診斷設(shè)備和零售供應(yīng)鏈之類的事物獲得半自主的靈活性和類似馴養(yǎng)動物時根據(jù)情境做出反應(yīng)的能力。換句話說，在后摩爾定律的世界中，計算機不會成為神明——但它們會變得更像是非常聰明的狗。
加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的計算機科學(xué)家蔡少棠在1971年首先從理論上預(yù)言了憶阻器存在。但蔡少棠、莫德哈和惠勒在他們對較近未來的展望中都沒有提及晶體管——或晶體管所能帶來的可預(yù)見的計算性能提升。在IBM公司的梅爾森看來，摩爾定律半個世紀(jì)以來準(zhǔn)確描述的現(xiàn)象——晶體管密度的增長和單位功能成本的降低之間的關(guān)系——可能其實只是一種臨時的巧合。梅爾森說道，“并不是說進(jìn)步不能再持續(xù)了，而是這種技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到心律失常的地步了”。
IBM的技術(shù)創(chuàng)新與瓶頸
去年，IBM公司宣布投入30億美元，積極研究各種形式的替代硅基半導(dǎo)體的計算技術(shù)。IBM研究的首選材料是石墨烯：只有一層原子的碳薄片。研究者已經(jīng)制造出了石墨烯晶體管，在合理的功率密度下，它們的運行速度可以比性能最好的硅元件快幾百倍甚至數(shù)千倍。石墨烯晶體管甚至也能突破讓硅元件開始出現(xiàn)量子效應(yīng)的5納米臨界值。
然而，與硅不同，石墨烯缺少“帶隙”：電子被原子束縛的軌道與電子能夠自由運動并參與導(dǎo)電的軌道之間的能量差。從而讓晶體管從“開”變?yōu)?“關(guān)”是十分困難的——這就意味著石墨烯元件無法可靠地為數(shù)字邏輯編碼。
碳納米管也許更有希望。把石墨烯卷成空心圓筒，它們就可以產(chǎn)生一定的帶隙，這會使其獲得與硅類似的半導(dǎo)體特性，從而重燃用其制作數(shù)字晶體管的希望。作為單獨的設(shè)備，當(dāng)碳納米管被縮小到10納米左右時，它比任何其他現(xiàn)有設(shè)備的性能都要好。
不過碳納米管是一種結(jié)構(gòu)纖巧的材料。如果一根納米管的直徑或手性——它的碳原子被 “卷起來”的角度——發(fā)生微小的改變，其帶隙就可能消失，使其失去數(shù)字電路元件的功能。工程師們還必須能夠用現(xiàn)在硅晶圓廠所依賴的技術(shù)，把數(shù)十億個納米管排列成間距只有幾納米的整齊隊列。