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。
替代策略:专用芯片
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.