1965年，時(shí)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(cè)，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(cè)修正為大家所知的摩爾定律：每?jī)赡暧?jì)算機(jī)芯片上的晶體管數(shù)量將增加一倍。集成電路讓計(jì)算機(jī)工作，而摩爾定律讓計(jì)算機(jī)進(jìn)化。
由于晶體管是電子計(jì)算的“原子”——這些微小的開(kāi)關(guān)用不同的電壓表示0和1，計(jì)算機(jī)在存儲(chǔ)和計(jì)算中用到的每個(gè)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(yùn)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(kāi)啟了個(gè)人計(jì)算機(jī)革命。這塊兩英寸長(zhǎng)的方糖形晶片內(nèi)含4500個(gè)晶體管。但現(xiàn)在，市場(chǎng)上可買(mǎi)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(gè)CPU內(nèi)包含45億個(gè)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(zhǎng)，20世紀(jì)中期還是房間大小的真空管計(jì)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(jì)算機(jī)。
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(wú)法繼續(xù)持續(xù)下去。正因?yàn)槿绱?，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(fèi)，來(lái)尋找后摩爾定律時(shí)代的解決方案。
一塊計(jì)算機(jī)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(lái)充當(dāng)計(jì)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(huì)用光脈沖來(lái)代替電壓。
惠普公司甚至更進(jìn)一步，想擴(kuò)展電子學(xué)本身的基本理論。這家公司研制了一臺(tái)原型計(jì)算機(jī)，代號(hào)為“The Machine”。這臺(tái)計(jì)算機(jī)利用了電子學(xué)中一個(gè)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(kāi)發(fā)出來(lái)。憶阻器可以把計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)設(shè)備和隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)的功能結(jié)合起來(lái)。用憶阻器代替晶體管后，把CPU形容為一臺(tái)計(jì)算機(jī)的“大腦”的常用比喻會(huì)變得更加貼切，原因是前者的實(shí)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(chǔ)這些信息。通過(guò)這種方式把易失性存儲(chǔ)器和非易失性存儲(chǔ)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(gè)瓶頸在半個(gè)世紀(jì)以來(lái)一直制約著計(jì)算能力。
這些技術(shù)中，還沒(méi)有任何一個(gè)可在未來(lái)幾年內(nèi)取代或強(qiáng)化筆記本電腦及手機(jī)中的芯片。不過(guò)在這個(gè)10年結(jié)束之時(shí)，它們中至少有一種必定能夠帶來(lái)計(jì)算性能的提升，從而有機(jī)會(huì)取代必定會(huì)走向衰落的傳統(tǒng)硅電路技術(shù)。問(wèn)題在于：是哪一種技術(shù)?這種取代會(huì)發(fā)生在何時(shí)?
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(jiǎn)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(jì)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(chǎng)效應(yīng)晶體管，是當(dāng)時(shí)的主流技術(shù))的物理尺寸縮小時(shí)，其功率密度是如何保持不變的。換句話說(shuō)，隨著晶體管的縮小，它開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)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(dòng)器。然而接下來(lái)，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(zhǎng)度的一半)以下時(shí)，芯片設(shè)計(jì)師們發(fā)現(xiàn)，因?yàn)榱孔恿W(xué)效應(yīng)，他們的晶體管開(kāi)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(gè)所謂的頻率墻，它給硅基CPU執(zhí)行邏輯運(yùn)算的速度設(shè)了一個(gè)上限，大概是每秒40億次。超過(guò)這個(gè)上限，CPU就會(huì)因過(guò)熱而融化。
嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，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(guò)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(méi)有簡(jiǎn)單地轉(zhuǎn)化為價(jià)格更便宜、速度更快的計(jì)算機(jī)。
自2000年開(kāi)始，面對(duì)這些障礙的芯片，工程師找到了一些聰明的應(yīng)對(duì)辦法。他們通過(guò)引入多核CPU避開(kāi)了頻率墻。他們用可從3個(gè)方向控制電流的“三柵”晶體管，代替了只能控制一個(gè)方向的普通晶體管，減輕了電子泄漏的問(wèn)題。他們還開(kāi)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(jì)不會(huì)改變這樣一個(gè)事實(shí)：硅基芯片繼續(xù)縮小的趨勢(shì)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(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型計(jì)算機(jī)——“The Machine”。這種計(jì)算機(jī)廢除了存儲(chǔ)器層級(jí)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(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)的速度也相當(dāng)快，而且儲(chǔ)存密度大，還耐用——這都是很有價(jià)值的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗悄愕碾娔X用來(lái)運(yùn)行活躍應(yīng)用程序的工作平臺(tái)。
當(dāng)然，斷電會(huì)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(pán)這樣的“非易失性”存儲(chǔ)介質(zhì)來(lái)長(zhǎng)期保存數(shù)據(jù)。
惠勒說(shuō)，幾十年來(lái)，一種同時(shí)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(chǔ)器一直是工程師、設(shè)計(jì)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(duì)通用存儲(chǔ)器的后兩個(gè)要求。2008年，惠普公司宣布制造出了第一個(gè)可以工作的憶阻器，該研究項(xiàng)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(shí)現(xiàn)的。作為替代，惠普公司計(jì)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(lái)?！癟he Machine”把存儲(chǔ)器層級(jí)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(chǔ)器，不過(guò)已經(jīng)很接近了 。
通過(guò)把非易失性存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)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(chǔ)器能讓更小、能耗更低的設(shè)備具備類似于超級(jí)計(jì)算機(jī)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(chǔ)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(chǔ)器上的押注大獲成功，計(jì)算機(jī)的本質(zhì)也沒(méi)什么變化。計(jì)算機(jī)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(gè)執(zhí)行指令的處理器、一個(gè)存儲(chǔ)這些指令和指令操作數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器，以及一個(gè)把它們連接起來(lái)的“總線”。這種馮·諾依曼架構(gòu)對(duì)于執(zhí)行線性序列中的符號(hào)指令——也被稱為做算術(shù)——是最理想的。
但是，今天我們?cè)絹?lái)越多地需要用計(jì)算機(jī)做一些不太適于歸為線性數(shù)學(xué)指令的工作：例如，在長(zhǎng)時(shí)間的錄像中識(shí)別感興趣的對(duì)象，或是指引自動(dòng)機(jī)器人穿過(guò)不穩(wěn)定的或有危險(xiǎn)的區(qū)域。
IBM公司認(rèn)知計(jì)算團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)始人德?tīng)栭T(mén)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(jì)算機(jī)芯片組。他解釋說(shuō)，關(guān)鍵在于廢除計(jì)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(guò)50億個(gè)晶體管排列在4096個(gè)神經(jīng)突觸核心上，可以模擬100萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元和2.56億個(gè)突觸連接。
這種架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于能以一支激光筆的耗能量進(jìn)行實(shí)時(shí)的模式匹配。IBM公司的目標(biāo)是把這兩種架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)都利用起來(lái)——一個(gè)用于精確和邏輯的運(yùn)算，另一個(gè)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(jì)算系統(tǒng)。
對(duì)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(tuán)隊(duì)已經(jīng)在一塊電路板上封裝了16塊TrueNorth芯片，到今年年底時(shí)，這個(gè)團(tuán)隊(duì)計(jì)劃把8塊這樣的電路板疊加在一起，組成一個(gè)烤箱大小，功率僅100瓦的設(shè)備，這個(gè)設(shè)備的計(jì)算能力“將和整個(gè)數(shù)據(jù)中心相當(dāng)”。換句話說(shuō)，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(duì)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(shuō)的并不是晶體管。他說(shuō)：“單位功能的成本才是核心?！睙o(wú)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(lái)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(shì)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(jì)算性能的未來(lái)——也就是整個(gè)產(chǎn)業(yè)將如何以更低的成本來(lái)提供更強(qiáng)的功能——看起來(lái)不會(huì)再像一條直線或曲線，反而會(huì)更像有很多分支的生物進(jìn)化樹(shù)。
正在消亡的不是摩爾定律，而是摩爾定律描繪并成功開(kāi)啟的高效通用計(jì)算時(shí)代。梅伯里把這個(gè)時(shí)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(duì)降低單位功能成本的不懈追求將改由所謂的異構(gòu)計(jì)算來(lái)驅(qū)動(dòng)，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(jì)算工作迅速增長(zhǎng)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(gòu)買(mǎi)功能而非電腦芯片;事實(shí)上，他們對(duì)購(gòu)買(mǎi)計(jì)算機(jī)越來(lái)越缺乏興趣。我們只是希望自己的工具可以計(jì)算，或“思考”，從而能在我們使用它們的場(chǎng)合中發(fā)揮作用。
不過(guò)，異構(gòu)計(jì)算表明，計(jì)算更有可能向外擴(kuò)展到過(guò)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(dòng)物時(shí)根據(jù)情境做出反應(yīng)的能力。換句話說(shuō)，在后摩爾定律的世界中，計(jì)算機(jī)不會(huì)成為神明——但它們會(huì)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(jì)算機(jī)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(duì)較近未來(lái)的展望中都沒(méi)有提及晶體管——或晶體管所能帶來(lái)的可預(yù)見(jiàn)的計(jì)算性能提升。在IBM公司的梅爾森看來(lái)，摩爾定律半個(gè)世紀(jì)以來(lái)準(zhǔn)確描述的現(xiàn)象——晶體管密度的增長(zhǎng)和單位功能成本的降低之間的關(guān)系——可能其實(shí)只是一種臨時(shí)的巧合。梅爾森說(shuō)道，“并不是說(shuō)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(jì)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(yùn)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(kāi)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(yùn)動(dòng)并參與導(dǎo)電的軌道之間的能量差。從而讓晶體管從“開(kāi)”變?yōu)?“關(guān)”是十分困難的——這就意味著石墨烯元件無(wú)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(huì)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(dú)的設(shè)備，當(dāng)碳納米管被縮小到10納米左右時(shí)，它比任何其他現(xiàn)有設(shè)備的性能都要好。
不過(guò)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(lái)”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(gè)納米管排列成間距只有幾納米的整齊隊(duì)列。