摩爾定律消退后 計(jì)算機(jī)行業(yè)將如何發(fā)展？

　　(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。現(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。

　　四、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?！霸谠S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。