计算机的速度已接近极限，芯片技术该何去何从

本文来自微信公众号：SF 中文（ID：kexuejiaodian），作者：彼得・本特利，译：礼世杰

与 50 年前相比，今天的计算机处理器性能强悍得多。处理器的计算速度大约每两年翻一倍。

这种加倍效应被称为“摩尔定律”（Moore's Law）是以英特尔公司联合创始人戈登・摩尔的名字命名的，他早在 1965 年就预测到了这一趋势。

如果汽车的最高速度自 1965 年以来也遵循同样的增长趋势，英国赛车手刘易斯・汉密尔顿（Lewis Hamilton）―― 7 届世界一级方程式锦标赛（F1）冠军，将以超过每小时 110 亿英里（约 177 亿千米）的速度在赛道上飞驰。

接近临界点

对计算机行业而言，摩尔的预言变成了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。他们确实也这样做了：不断缩小电子元件，适配越来越小的芯片，并加快电子元件间的交互速率。

这种高度集成的电路使处理器性能越来越强大，计算机也在很大程度上改变了世界。从食品配送到交通运输，数字化几乎涉及到生活的方方面面，科学家和工程师还开发出了以前的处理器永远不可能实现的新技术，如社交媒体、在线游戏、机器人、增强现实（AR）等。

芯片技术的持续进步使这些转变成为可能。但对于技术的快速革新，人们已经习以为常，软件开发商也认为摩尔定律仍然适用。

但是，今天的互联网世界每天都会制造天量数据，这就催生了巨大的数据存储需求，而数据量越大，所需的数据分析能力就越大。

但芯片飞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做到了极致，继续缩小晶体管，就会遭遇物理规律的限制。

例如，苹果公司在 2017 年 9 月发布的 A11 芯片是当时最好的芯片之一，87.66 平方毫米大的芯片包含 43 亿个晶体管。

如果比苹果 A11 芯片还小，意味着晶体管要变得更小，那么晶体管就会受到量子效应干扰（发生电子跃迁）。

另外，由于空间太小，排布芯片的内部结构，控制芯片的电性能也变得十分困难。如果晶体管数量过多，工作速度就会加快，而芯片内部阻抗过小会使芯片温度过高，如果不能立刻冷却下来，芯片就会自燃。

苹果公司在 2022 年发布了 A16 芯片，这块芯片的性能相比 A11 有了明显提升，但也更加接近物理极限。

A16 包含约 160 亿个晶体管，因为尺寸过小，量子效应已经非常明显。为防止电子隧穿效应的出现，芯片制造公司改进工艺，在晶体管上覆盖了多层硅。

通过不断改进工艺，芯片上的晶体管数量还能在未来几年继续增多，但即便这样，晶体管也不能无限变小，因为硅原子的直径是 0.2 纳米，晶体管不管怎么缩小，也不可能小于硅原子。

因此，要进一步提升计算机的性能，只能找到绕开量子效应的方案。

芯片制造商从几十年前就开始尽最大努力解决这些问题。处理器的时钟频率（计算机的基本运行速度）每年都在提高。

1991 年，英特尔公司 i486 处理器的时钟频率为 25MHz：1998 年，奔腾 Pro 处理器的时钟频率为 200MHz；2008 年，奔腾 4 处理器的时钟频率为 3.8GHz。

但这已是可以实现的最快速度。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。

继续按照摩尔定律所预测的速度提升芯片性能已经极其困难，而且耗资巨大，几乎所有芯片制造商都放弃了这场竞赛。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明显减少。摩尔定律的时代即将结束。

取而代之的是，制造商集中精力研发专用芯片，以加速特定类型的算法。例如最常见的图形处理器。

最初开发图形处理器是为了并行执行多个算法，帮助计算机快速处理游戏的图像数据。图形处理器现在已经进化为通用处理器，用于数据分析和机器学习。芯片制造商还推出了专用集成电路（ASIC），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，专门为提高深层神经网络的运算速度而研发，现在正在进行验收测试。

不过，摩尔定律的终结不应被视为进步的终结。

创造新可能的时代已经到来，科学家正在开发真正意义上的新的计算机架构和技术，并在材料科学领域投入更多精力，寻找可以替代硅的材料，用来制造晶体管。

这些新技术表明，尽管计算机的运算速度可能不再以指数级增长，但仍会飞速进步，而数据处理方式也会以全新的方式进行。

原文刊载于《科学焦点》202212.

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