计算机的速度已接近极限，芯片技术该何去何从

与50年前相比，今天的计算机处理器要强大得多处理器的计算速度大约每两年翻一番

这种倍增效应被称为摩尔定律，以英特尔公司的联合创始人戈登·摩尔的名字命名，他早在1965年就预测了这一趋势。

如果汽车的最高速度自1965年以来一直遵循同样的增长趋势，第七届世界一级方程式锦标赛的冠军英国赛车手刘易斯·汉密尔顿将以超过110亿英里/小时的速度在赛道上飞驰。

接近临界点

对于计算机行业来说，摩尔的预言已经成为某种自我实现的预言。

芯片制造商受到摩尔的启发，希望达到摩尔定律预测的性能事实上，他们也做了同样的事情:缩小电子元件，适应越来越小的芯片，加快电子元件之间的交互

这种高度集成的电路使得处理器越来越强大，计算机在很大程度上改变了世界从食品配送到交通运输，数字化几乎涉及生活的方方面面科学家和工程师还开发了以前的处理器永远无法实现的新技术，如社交媒体，网络游戏，机器人，增强现实等

芯片技术的不断进步使这些变化成为可能但人们已经习惯了快速的技术创新，软件开发商也认为摩尔定律仍然适用

可是，如今的互联网世界每天都会产生海量的数据，催生了巨大的数据存储需求，数据量越大，所需的数据分析能力也就越大。

但是芯片快速发展的故事不会永远持续下去我们正在接近一个临界点，因为晶体管的尺寸已经达到了极限如果我们继续缩小晶体管，我们将会遇到物理定律的限制

比如苹果2017年9月发布的A11芯片，就是当时最好的芯片之一87.66平方毫米的芯片包含43亿个晶体管

如果比苹果A11芯片小，也就是说晶体管会变小，那么晶体管就会受到量子效应的干扰。

另外，由于空间太小，芯片内部结构排列，控制芯片的电气性能非常困难如果晶体管太多，工作速度会加快，而如果芯片内部阻抗太小，芯片温度就会过高如果不能立即冷却，芯片就会自燃

苹果2022年发布A16芯片与A11相比，这款芯片的性能有了显著提升，但也更接近物理极限

A16包含大约160亿个晶体管因为体积小，量子效应已经很明显了为了防止电子隧道效应，芯片制造公司改进了工艺，并用多层硅覆盖晶体管

通过不断的工艺改进，未来几年芯片上的晶体管数量可以继续增加，但即便如此，晶体管也不可能无限小，因为硅原子的直径是0.2 nm，再小的晶体管也不可能比硅原子小。

所以要进一步提高计算机的性能，只能想办法绕过量子效应。

替代策略:专用芯片

从几十年前开始，芯片制造商就尽力解决这些问题处理器的时钟频率每年都在增加

1991年，Intel i486处理器的时钟频率是25mhz1998年，奔腾Pro处理器的时钟频率是200MHz，2008年奔腾4处理器的时钟频率是3.8GHz。

但这是能达到的最快速度了从那以后，制造商不得不使用多核处理器，这样处理器就可以并行工作，运行得更快――先是双核，然后是四核，八核，十六核，等等

按照摩尔定律预测的速度继续提高芯片性能是极其困难和昂贵的，几乎所有的芯片制造商都放弃了这种竞争继续往这个方向发展已经不划算了因此，从事尖端芯片制造工艺研发的实验室数量大幅减少摩尔定律即将终结

相反，制造商专注于开发专用芯片来加速特定类型的算法例如最常见的图形处理器

起初，图形处理器被开发为并行执行多个算法，帮助计算机快速处理游戏的图像数据图形处理器已经发展成为用于数据分析和机器学习的通用处理器芯片制造商也推出了专用集成电路，如谷歌的张量处理器

张量处理器是由256个芯片组成的并行工作电路，是专门为提高深度神经网络的运算速度而开发的，目前正在进行验收测试。

可是，摩尔定律的终结不应被视为进步的终结。

创造新可能性的时代已经到来科学家们正在开发真正意义上的新计算机架构和技术，并在材料科学领域投入更多的精力，寻找可以替代硅并用于制造晶体管的材料

这些新技术表明，尽管计算机的计算速度可能不再呈指数级增长，但它们仍将取得快速进步，数据处理的方式将以一种全新的方式进行。

原文章发表在《科学聚焦》202212上。

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