后摩尔时代的技术创新

摩尔定律在消亡?

    1965年，时任仙童半导体公司研发主管的戈登·摩尔发表了一篇标题很直白的文章《让集成电路填满更多的组件》。摩尔预测，以最优成本在芯片上集成的晶体管数量将每年翻一番。10年后，他将自己的预测修正为大家所知的摩

尔定律：每两年计算机芯片上的晶体管数量将增加一倍。集成电路让计算机工作，而摩尔定律让计算机进化。

    由于晶体管是电子计算的“原子”——这些微小的开关用不同的电压表示0和1，计算机在存储和计算中用到的每个二进制数字都是由它们编码的，如果你能让相同物理空间内容纳的晶体管数量增加一倍，你就能把同样成本所能获得的运算能力提升一倍。

    英特尔公司在1974年发布的第一款通用微处理器8080开启了个人计算机革命。这块两英寸长的方糖形晶片内含4500个晶体管。但现在，市场上可买到的密度最高的芯片是英特尔公司的高性能服务器中央处理器(CPU)，每个CPU内包含45亿个晶体管。

    在英特尔公司位于俄勒冈州希尔斯伯勒的晶圆厂里，该公司最新的制造工艺能在一块硅晶片上蚀刻出小至14纳米的电路结构。随着晶体管密度的指数式增长，20世纪中期还是房间大小的真空管计算工具，到了21世纪初已经变成了小得令人惊讶的硅基计算机。

    即使摩尔定律也要臣服于物理规律——在10年之内，这种速度前所未有的微型化进程将无法继续持续下去。正因为如此，英特尔、IBM、惠普等芯片制造商倾注了数十亿美元的研发经费，来寻找后摩尔定律时代的解决方案。

    一块计算机芯片，是否一定得是蚀刻在硅片上面的二维电子线路阵列?IBM公司认为不是：它正在认真地研究用来充当计算电路基底的碳纳米管和石墨烯。IBM和惠普也把部分赌注押在了光子学上，这种技术会用光脉冲来代替电压。惠普公司甚至更进一步，想扩展电子学本身的基本理论。这家公司研制了一台原型计算机，代号为“The Machine”。这台计算机利用了电子学中一个人们寻找了很久的缺失环节——忆阻器的力量。

    早在几十年前就有人根据数学模型提出了忆阻器的概念，但直到最近，它才被真正开发出来。忆阻器可以把计

算机的存储设备和随机存取存储器(RAM)的功能结合起来。用忆阻器代替晶体管后，把CPU形容为一台计算机的

“大脑”的常用比喻会变得更加贴切，原因是前者的实际作用更像是神经元：它们既能传输和编码信息，也能存储这些信息。通过这种方式把易失性存储器和非易失性存储器融为一体，可以极大地提升效率并减轻所谓的“冯·诺

依曼瓶颈”的影响。这个瓶颈在半个世纪以来一直制约着计算能力。

    这些技术中，还没有任何一个可在未来几年内取代或强化笔记本电脑及手机中的芯片。不过在这个10年结束之时，它们中至少有一种必定能够带来计算性能的提升，从而有机会取代必定会走向衰落的传统硅电路技术。问题在于：是哪一种技术?这种取代会发生在何时?

    晶体管缩小已达物理极限

    超越硅材料摩尔定律背后的想法很简单 —— 将晶体管的尺寸减半意味着你可以用同样的成本获得两倍的计算

性能。但摩尔定律的内涵要比这更丰富。

    IBM公司一位名叫罗伯特·登纳德的科学家发表了现在被称为登纳德缩放定律(Dennardscaling)的解释，描述

了当MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管，是当时的主流技术)的物理尺寸缩小时，其功率密度是如何保持不变的。换句话说，随着晶体管的缩小，它开启和关闭时所需的电压和电流也同样降低了 。

    在这之后的30年中，登纳德缩放定律一直是摩尔定律的秘密驱动器。

    然而接下来，登纳德缩放定律失效了。当晶圆厂在硅片上蚀刻的特征尺度缩短到65纳米(大约是HIV病毒长度的一半)以下时，芯片设计师们发现，因为量子力学效应，他们的晶体管开始“泄漏”电子了。

    不仅如此，IBM和英特尔的研究人员还发现了一个所谓的频率墙，它给硅基CPU执行逻辑运算的速度设了一个上

限，大概是每秒40亿次。超过这个上限，CPU就会因过热而融化。

    严格说来，摩尔定律还可以延续下去(也的确延续下去了)：英特尔公司仍然每过两年就在它的晶圆上塞满更小的晶体管。然而，更小的晶体管并没有简单地转化为价格更便宜、速度更快的计算机。

    自2000年开始，面对这些障碍的芯片，工程师找到了一些聪明的应对办法。他们通过引入多核CPU避开了频率

墙。他们用可从3个方向控制电流的“三栅”晶体管，代替了只能控制一个方向的普通晶体管，减轻了电子泄漏的问题。他们还开发出了可以让CPU把特别繁重的任务外包给专用模块的系统。但这些权宜之计不会改变这样一个事实：硅基芯片继续缩小的趋势在不到10年内就将终结。

    惠勒在加利福尼亚州帕罗奥图的团队设计了一种新型计算机——“The Machine”。这种计算机废除了存储器层级结构，把三层硬件融为一体。SRAM速度极快(所以它能够跟得上CPU的速度)，但功耗大且容量小。主内存，或称动态随机存取存储器(DRAM)的速度也相当快，而且储存密度大，还耐用——这都是很有价值的优点，因为它是你的电脑用来运行活跃应用程序的工作平台。

    当然，断电会使DRAM中的所有东西统统消失，这就是为什么有必要使用闪存和硬盘这样的“非易失性”存储介质来长期保存数据。惠勒说，几十年来，一种同时拥有SRAM的速度、DRAM的

耐用性和闪存的容量与能效的通用存储器一直是工程师、设计师和程序员心中的圣杯。

    “The Machine”利用忆阻器这种特殊的电子元件，满足了人们对通用存储器的后两个要求。2008年，惠普公司宣布制造出了第一个可以工作的忆阻器，该研究项目在公司内部快速推进，并最终成为“The Machine”的雏形。

    为了获得类似SRAM的性能，忆阻器单元得紧挨着CPU，与它放在同一颗硅芯片上，但在现有技术条件下，这样的布置在物理上是不可能实现的。作为替代，惠普公司计划利用光子学技术——用激光脉冲代替电流传输数字信息——把高性能的忆阻器内存与逻辑处理器中的标准SRAM缓存连接起来。

   “The　Machine”把存储器层级结构从三层压缩到了两层，虽然它还不是真正的通用存储器，不过已经很接

近了 。

    通过把非易失性存储器与SRAM合为一体，“The Machine”这样基于忆阻器的架构也可以大幅提升计算机性

能，不必再依靠摩尔定律式的晶体管微型化。

    惠勒认为，如果通用存储器能让更小、能耗更低的设备具备类似于超级计算机的能力，这些数据流就可以在本地由联网设备本身存储和预处理。

    摩尔定律经典公式依然重要

    即使惠普公司在构建通用存储器上的押注大获成功，计算机的本质也没什么变化。计算机的基本架构是数学家

约翰·冯·诺依曼在1945年确定的，包括一个执行指令的处理器、一个存储这些指令和指令操作数据的存储器，以

及一个把它们连接起来的“总线”。这种冯·诺依曼架构对于执行线性序列中的符号指令——也被称为做算术——是最理想的。

    但是，今天我们越来越多地需要用计算机做一些不太适于归为线性数学指令的工作：例如，在长时间的录像中识别感兴趣的对象，或是指引自动机器人穿过不稳定的或有危险的区域。

    IBM公司认知计算团队的创始人德尔门德拉·莫德哈希望能制造出至少和家蝇一样“聪明”和节能的计算机芯片组。他解释说，关键在于废除计算器式的冯·诺依曼架构。

    IBM公司最近推出了TrueNorth芯片，它把超过50亿个晶体管排列在4096个神经突触核心上，可以模拟100万个神经元和2.56亿个突触连接。

    这种架构的优势在于能以一支激光笔的耗能量进行实时的模式匹配。IBM公司的目标是把这两种架构的优点都利用起来——一个用于精确和逻辑的运算，另一个用于响应迅速、联想式的模式匹配，从而组成一种它所描述的整体计算系统。

    对于这样的目标，摩尔定律的经典公式依然重要。莫德哈的团队已经在一块电路板上封装了16块TrueNorth芯片，到今年年底时，这个团队计划把8块这样的电路板叠加在一起，组成一个烤箱大小，功率仅100瓦的设备，这个设备的计算能力“将和整个数据中心相当”。换句话说，硅和晶体管的数量仍然很重要——但更重要的是如何布置它们。

    对经典是颠覆还是拓展?

    英特尔公司的组件研发主管迈克尔·C·梅伯里认为，有关摩尔定律真正说的并不是晶体管。他说：“单位功能的成本才是核心。”无论是以哪种方式衡量，每平方厘米硅上的晶体管、每秒执行的代码指令还是每瓦能量所获得的性能，真正重要的都是用更少的资源来做更多的工作。因此，英特尔公司在自己的网站上将摩尔定律描述为一种商业模式而非一种技术趋势或自然规律也就不足为奇了 。

    英特尔、IBM和惠普一致认为，计算性能的未来——也就是整个产业将如何以更低的成本来提供更强的功能——看起来不会再像一条直线或曲线，反而会更像有很多分支的生物进化树。

    正在消亡的不是摩尔定律，而是摩尔定律描绘并成功开启的高效通用计算时代。梅伯里把这个时代形容为，“尽可能地把所有东西都塞进盒子里”。

    同以往不同的是，对降低单位功能成本的不懈追求将改由所谓的异构计算来驱动，摩尔定律分拆为了“摩尔定律们”。

    IBM、英特尔、惠普等公司集成的将不仅是电路，还有满足不同种类计算工作迅速增长需求的完整系统。IBM公司的伯纳德·S·梅尔森认为，人们是在购买功能而非电脑芯片;事实上，他们对购买计算机越来越缺乏兴趣。我们只是希望自己的工具可以计算，或“思考”，从而能在我们使用它们的场合中发挥作用。

    不过，异构计算表明，计算更有可能向外扩展到过去那些 “非智能”的物体、系统和领域中，让汽车、网络路由器、医疗诊断设备和零售供应链之类的事物获得半自主的灵活性和类似驯养动物时根据情境做出反应的能力。换句话说，在后摩尔定律的世界中，计算机不会成为神明——但它们会变得更像是非常聪明的狗。

    加利福尼亚大学伯克利分校的计算机科学家蔡少棠在1971年首先从理论上预言了忆阻器存在。但蔡少棠、莫德哈和惠勒在他们对较近未来的展望中都没有提及晶体管——或晶体管所能带来的可预见的计算性能提升。

    在IBM公司的梅尔森看来，摩尔定律半个世纪以来准确描述的现象——晶体管密度的增长和单位功能成本的降低之间的关系——可能其实只是一种临时的巧合。梅尔森说道，“并不是说进步不能再持续了，而是这种技术现在已经发展到心律失常的地步了”。