1971年,世界上跑得最快的汽车是法拉利代托纳(Ferrari Daytona),最高车速可达280公里每小时。世界最高建筑物是纽约双子塔,412米高。同年11月,英特尔公司推出第一个商业微处理器芯片——4004,包含2300个微型晶体管,每个有红血球那样的大小。
从那时起,芯片按照英特尔创始人戈登·摩尔(Gordon Moore)的预测不断改进。根据摩尔定律这一经验法则,更小的晶体管更紧地排列到硅片上,差不多每两年,其处理能力会翻一倍,性能更好,成本更低。新一代的英特尔Skylake处理器包含大约17.5亿晶体管——50万个此类晶体管的所占空间相当于4004型号芯片的1个晶体管。加起来,它们的运算能力提高了约40万倍。这种指数级的进步很难跟物理世界联系起来。如果从1971年开始,汽车和摩天大楼也按照这种速率发展,最快的车现在时速可达光速的1/10,最高的楼距离月亮还有一半的路程。
摩尔定律的影响在我们身边无处不在。现如今,30亿人随身携带智能手机:每一部手机都比上世纪80年代那种房间大小的超级计算机更强大。无数的产业被数字化变革所颠覆。充足的计算力使核试验放缓,因为使用模拟爆炸替代真实爆炸,原子武器试验更容易了。摩尔定律成了一种文化比喻:硅谷内外的人们希望技术每年都会变得更好。
但在50年后的今天,摩尔定律似乎要终结了。晶体管变得更小并不能保证它们更便宜、运算速度更快。运算的进程不会突然停止,但是这种进程的性质正在改变。芯片依然会变得更好,但是这种变好的节奏会放缓(英特尔称,现在每两年半芯片的处理能力就会翻倍)。运算的未来将由其他三个领域定义,与硬件性能无关。
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摩尔定律终结
首先是软件。本周,在首尔,阿尔法狗(AlphaGo)在围棋比赛前两局中击败人类最佳棋手之一李世乭。围棋因其复杂性特别受计算机科学家的青睐:围棋板位的可能性比宇宙中粒子还多。所以,围棋系统不能纯粹依赖计算机的洪荒之力(由摩尔定律保证)去获胜。阿尔法狗依靠的是部分模拟人类大脑运行方式的“深度思考”技术。本周,阿尔法狗的成功表明,新的算法能够带来巨大性能提升。实际上,硬件进步放缓,人类研究更加聪明软件的动机会更强烈。
第二个领域是“云”——通过互联网传递服务的数据网络中心。当计算机是独立设备时,不管是大型主机还是台式机,它们的表现总体而言是由芯片处理器速度决定的。今天,计算机可以在不改变硬件的同时变得更强。在查询电子邮件或者计算最佳路线时,计算机可以获取“云”广泛而灵活的数据处理资源。这种互联互通性提高了计算机能力:诸如卫星定位、运动传感、无线支付等智能手机特性现在与处理器速度有很大关系。
第三个改进的领域取决于新的算法架构。比方说,设计优化用于特定工作的专门芯片,甚至是外来技术,利用量子力学同时处理多重数组。通用的微型处理器发展神速,而芯片被专门设计用于云计算、神经网络处理、计算机视觉和其他任务,尝试外来技术的需求就减少了。此类专门的硬件将会嵌入“云”中,等待召唤。这再次表明,终端用户设备的性能不像过去那样重要,因为其他地方的性能有了重要提升。
速度不是一切
这在实践中意味着什么呢?摩尔定律从来不是物理定律,而是一个自我应验的预言。摩尔定律的终结会使技术进步速度更难预测。考虑到大多数人通过容量和特性,而非处理速度来评判运算设备摩尔定律,对消费者而言,可能不会感受到芯片发展速度放缓这件事。
对公司而言摩尔定律,摩尔定律的终结将会通过转向云计算来掩饰。很多公司更新电脑的频率也不是那么高了,也开始停用自身的电子邮件服务器了。不过,这种模式依赖于快速和可靠的连接性。宽带基础设施的改进需求将会提高:由于云服务商的数据中心的计算不断改进,那些连接性较差的公司从中获益的可能性会变小。
对科技产业本身,摩尔定律的终结增强了集中云计算的逻辑,而这种逻辑在一些大公司,如亚马逊、谷歌、微软、阿里巴巴、百度、腾讯已经居于主导地位。这些公司都在提高它们的云基础设施性能上不遗余力。它们四处寻找那些有新玩法的初创公司:谷歌在2014年收购了英国公司Deepmind,阿尔法狗就是由这家公司创造的。
50多年来,晶体管变得越来越小,计算机变得越来越便宜,越来越强大。随着摩尔定律的逐渐消失,进步的节奏可能不会那么有节拍了。但是计算机以及其他装置会继续变得更强大——以一种不同和更为多元的形式。
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